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鈦合金不同于鋁合金需要低頻加工

來源:鈦棒,鈦板,鈦管,鈦絲,鈦設備,鈦合金,鈦材 發布時間:2015-10-26 11:24:36

目前,許多機床制造大型鋁合金等輕金屬高效高速加工數控機床,如果是用于高溫合金等高強度鋼,不銹鋼制品加工,和航空航天等難加工金屬材料具有高強度和高硬度達到加工顯然是不合適的,雖然它也可以被切割的硬質合金材料,但其切削效率往往是不可接受的。主要原因是:正如前面所提到的硬質合金材料,鈦和其他處理需要較大的切削力,或需要高扭矩主軸,高效高速數控機床主軸通常用于鋁等輕金屬切削扭矩多數小于100nm,一般不超過200nm,沒有硬質合金高效加工鈦和能力材料切割。如前所述,加工鈦合金等硬合金材通常僅允許使用較低切削速度,即僅能使用較低主軸轉速,而典型用于鋁合金等輕合金材的切削加工的高效高速數控機床主軸轉速范圍和目前鈦合金材加工工藝要求不相適應。因此,對用于鈦合金材加工的數控加工機床結構、剛性、動態特性、主軸與坐標驅動、冷卻系統、刀具與刀具接口以及控制系統等許多關鍵數控部件的設計制造都提出了新要求。主要包含如下若干方面基本要求。

由于加工鈦合金等難加工材時需要高功率高轉矩主軸,因而除要求主軸本身具有高剛性外,還要求機床應比加工鋁合金材時具有更高的剛性(包括高靜剛性、高動剛性和高熱剛性)和更高動態響應性(高定位/重復定位精度、高進給速度和高加速度)。同時要求機床坐標軸驅動具有足夠高的驅動力,特別對帶旋轉坐標軸時,要求旋轉軸應能提供足夠高的驅動轉矩,一般要求不低于1,000Nm,典型為2,000~5,000Nm,對大重型機床甚至需要數千到20,000 Nm。高可靠刀具接口。使用高功率高轉矩主軸切削加工,則要求機床主軸刀具接口裝置具有足夠大的拉緊力和能傳遞大扭矩的能力。同時,為抑制低頻加工振蕩,也要求刀具接口裝置具有高剛性。因而,鈦合金材高效高速數控加工機床一般配置HSK~A100,典型為HSK~A125,甚至使用HSK~A160。

低頻加工穩定性。如前所述,高效率加工鈦合金或航空高溫合金等難加工材整體構件時,僅允許使用較低的切削速度,即較低的主軸轉速(可低于100r/min)。因此,取得低頻加工穩定性是用于鈦合金等硬合金材切削加工之數控機床所必須滿足的基本要求之一。眾所周知,數控加工機床都存在有一自然頻率(也稱固有頻率,或剪切頻率,或共振頻率)。典型數控加工機床其自然頻率一般為低于350Hz。同時,構成數控機床各部件的自然頻率也是不同的。一般認為機床床身自然頻率約20 Hz,立柱約95 Hz,主軸約320 Hz。當加工零件時,等效于刀具刀刃在周期性地敲擊機床某結構部件,當這種敲擊頻率接近機床某結構部件自然頻率范圍時,就可能激發刀具產生顫振,進而可能發生災難性后果。因此,為避免或抑制產生這種振蕩,就需要在機床設計階段改變機床結構設計,比如加厚床身,使立柱設計得更堅固,增加部件質量并使連接更牢固等等。但對最終用戶而言,則通常僅能通過改變切削加工參數來避免這種情況產生。

不同數控機床和主軸裝置,其自然頻率點的范圍也是有差異的。目前,一些機床制造商開發了一種抑制加工刀具振蕩的新技術:有源阻尼系統,并已將之應用在鈦合金材高效高速數控加工機床上以確保實現低頻加工穩定性。有關有源阻尼系統技術后文將有進一步介紹。高壓大流量冷卻系統盡管應用高速切削加工可實現干切削或可采用MQL技術,使得數控加工機床配置液壓冷卻潤滑系統目前成為一個有爭議的技術問題。但是,為了有效提升設備加工生產率,延長設備與刀具使用壽命,改善零件加工質量,絕大多數高速數控機床仍設計配置有完善的液壓冷卻潤滑液系統,特別是用于鈦合金等難加工材結構件的HEM-HSM加工的高速數控MC機床,通常設計有高壓大流量液壓冷卻潤滑系統。HPHV系統一般包括直接貫通主軸/刀具高壓冷卻系統,通過多個外部噴嘴噴射的外噴式切削刀具和工件的高壓冷卻系統,以保持主軸良好運行性能,快速冷卻刀具工件和沖排切屑,提高零件加工質量,增加刀具使用壽命。高速數控加工機床液壓冷卻潤滑系統典型為200~800psi(1.38~5.5MPa),25~80L/min。而采用HPHV冷卻潤滑系統的高效高速數控機床,要求大于720psi(5MPa),常用工業標準為 1,000~2,000psi(7~14MPa),當壓力為1,000psi時,一般要求流量不低于30L/min(8glm)。

使用較低切削速度,就意味著加工鈦合金材構件需要較長的加工周期。通常對鈦合金Ti-6AL-4V零件加工時間典型為普通鋼零件的2~4倍,是典型鋁合金材的10~12倍,而加工Ti-5Al-5Mo-5V-3Cr 和Ti-10V-2Fe-3Al 新型鈦合金材零件一般又比加工Ti-6-4鈦合金材要長一倍時間。這就導致鈦合金材整體結構件切削加工生產率低,加工成本較高。因此,為提高鈦合金材零件切削加工生產率,降低加工成本,適應批量定制生產,許多數控機床制造商將托盤化加工,或多主軸加工,或多工作臺(區)加工,或銑車復合加工,或輕硬合金材復合加工等制造工藝技術融合集成在鈦合金材高效高速數控加工機床上,以提高加工生產率,降低加工成本。

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