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鈦在泥漿和超聲波鉆探加工中的比較
R. Singh a J.S. Kabob
1機(jī)械與生產(chǎn)工程系，GNDE學(xué)院盧迪亞納141006，印度
2機(jī)械工程系，旁遮普大學(xué)，帕 舍 拉147004，印度
摘要
本文首先回顧了鈦及其合金在3種不同的泥漿（即：碳化硅，碳化硼和氧化鋁）和超聲鉆削中相同的機(jī)械加工背景下的加工。其后的實(shí)驗(yàn)研究提出了利用超聲波鉆對(duì)鈦（TITAN15生產(chǎn)，ASTM標(biāo)準(zhǔn)號(hào)排練室）和鈦合金（TITAN31，美國(guó)ASTM Gr.5）加工5mm直徑孔的生產(chǎn)。這意味著具有3種不銹鋼、鈦和高速鋼的固體工具的20千赫壓電式換能器的使用，將作業(yè)于碳化硅，碳化硼和氧化鋁漿。該給出的數(shù)據(jù)包括對(duì)材料去除率和刀具磨損率的主要作用影響情況。結(jié)果表明，硼碳化物漿和不銹鋼工具對(duì)材料去除率是最佳的工具。在超聲波加工中工件的相對(duì)硬度也影響了材料的去除速率。
關(guān)鍵詞：泥漿 鈦合金 超聲波鉆 電式換能器 去除速率
1。介紹
鈦合金通常被視為當(dāng)中最困難加工的工件材料，盡管硬度較低（如鈦6 / 4?350高壓退火）。這是因?yàn)樗麄兊膶?dǎo)熱系數(shù)低，熱可以集中在切削區(qū)（鈦6 / 4熱有熱電導(dǎo)率對(duì)AISI 405不銹鋼11W/mK），高化學(xué)反應(yīng)在溫度升高的趨勢(shì)下形成局部剪切帶。鈦及其合金作為難加工材料的標(biāo)志（維爾馬等。，2003）。不幸的是，鈦的加工是普遍比較困難，因而即使只有少量材料可能會(huì)被去除。對(duì)于機(jī)械加工來(lái)說(shuō)生產(chǎn)成本也是一個(gè)重要的比例參數(shù)。鈦及其合金非常流行，廣泛應(yīng)用于航空航天，海洋天然氣渦輪發(fā)動(dòng)機(jī)和醫(yī)療。鈦合金導(dǎo)熱性差延緩了散熱，在工件內(nèi)表面產(chǎn)生一個(gè)非常高的溫度嚴(yán)重影響了工具壽命（Cornfield等。，1999）。鈦工具在溫度升高的化學(xué)反應(yīng)和工具材料，或是迅速溶解或化學(xué)反應(yīng)過(guò)程中而造成破碎和失效（維爾馬等。，2003）。這些特征組合是低彈性模量鈦，它允許工件更大的變形，并再次增加了加工這些合金的復(fù)雜性（中小企業(yè)，1985年）。
傳統(tǒng)加工過(guò)程從而無(wú)法提供對(duì)鈦合金良好的加工特性。商業(yè)這些合金加工是利用放電加工，這給好材料去除率、準(zhǔn)確性和表面光潔度，但是是有一些問(wèn)題的領(lǐng)域。另一種非常規(guī)加工過(guò)程是超聲波鉆探，現(xiàn)在廣泛使用于兩種導(dǎo)電和非金屬材料。最好是低延展性（科瓦爾Chemo1986;克雷默等1988;莫爾蘭，1988年）和硬度上述40HRC（維爾馬等。，2003; Downfield等。，1999;Ezugwa and Wang，1997年;吉爾摩，1990年），例如：無(wú)機(jī)玻璃，氮化硅等（Theo等。，1998; IMS的，2002年;康巴和辛格Repined，2003年本篤加里，1987年; Hazlehurst，1981年;彭特蘭和Entertains，1965）。在這個(gè)過(guò)程中工具用堅(jiān)韌的材料制成，在該命令的頻率振蕩Keck的20-30 / s的幅度約可達(dá)0.02mm。一種磨料填補(bǔ)沖洗液通過(guò)主機(jī)和工件之間的差距。
這種材料的去除機(jī)理涉及到侵蝕和研磨（本篤加里，1987年）。固定超聲波鉆孔的原則如圖1，微小的磨料切下小薄片和研磨的面對(duì)應(yīng)。IMF材料不壓縮，扭曲或加熱，因?yàn)槟ハ髁苌俪^(guò)2磅（IMS的，2002年）。對(duì)于加工聯(lián)系中沒有未有任何工具，冷漿的存在使這是一個(gè)寒冷的切割過(guò)程。
加工所用的工具經(jīng)過(guò)銀釬焊工藝處理過(guò)。（辛格，2002年）。給予該工具的振動(dòng)的振幅也影響切削率（康巴和辛格Repined，2003年）。人們已經(jīng)發(fā)現(xiàn)，該材料去除率受振蕩幅度，磨料大小的影響（辛格，2002年;辛格和康巴，2007年）。有大量超聲波鉆孔的應(yīng)用，包括從在氧化鋁基板制造小孔，以雕刻玻璃器皿，通過(guò)激光板鉆大孔（IMS ，2002年）。圖2顯示了超聲鉆削應(yīng)用于一個(gè)超磁致伸縮換能器或壓電與釬焊和螺紋工具的三維視圖。據(jù)觀察實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，用氧化鋁作為漿料，TITAN15 作為工程材料，材料去除速率先減小，在增加額定功率（從150W至300W），超聲波打孔機(jī)（超聲波電機(jī)）的增幅從以約300W 增至450W。（辛格和康巴，2003年）
圖。 1 - 超聲波鉆孔示意圖，?噸=滲透到工具，?瓦特=滲透到工件
圖 2 三維超聲波電機(jī)圖案
在目前的實(shí)驗(yàn)裝置中，振幅的典型值和振動(dòng)頻率的使用是0.0253 -0.0258毫米和20千赫± 200赫茲。這一實(shí)驗(yàn)曾進(jìn)行研究，其目的是了解材料去除率和刀具磨損率。比較TITAN15和TITAN31（有不同的組合，不同的韌性）鉆孔超聲，3種不同類型的泥漿，即碳化硅（Sic），硼碳化物（碳化硼）和氧化鋁（Al2O3）（每320粒度）。極限拉伸強(qiáng)度為491MPa的純鈦TITAN15（化學(xué)分析中：C，0.006％;小時(shí)，0.0007％，氮，0.014％;澳，0.140％;，0.05％鐵;鈦平衡）和極限拉伸強(qiáng)度為994MPa的鈦合金TITAN31（化學(xué)分析：?，0.019％;，0.0011％，H組，氮，0.007％，澳，0.138％，鋁，6.27％;五，4.04％;鐵，0.05％，鈦，平衡）。
在執(zhí)行500W的聲波加工，超聲鉆探機(jī)在三個(gè)不同的額定功率（即在150瓦，300瓦和450瓦），的試點(diǎn)上的做基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)。三種常規(guī)刀具材料，即不銹鋼（SS），鈦（Ti）和高速鋼（HSS）被用作鈦工具組合，以找出材料移除率和刀具磨損率，在修復(fù)泥漿濃度和溫度。漿料濃度定為15％。?為25.7％和漿料溫度（室溫）。圖 3顯示工件尺寸，該工具被認(rèn)為決定維持經(jīng)濟(jì)加工操作的空形狀極限。
2實(shí)驗(yàn)
實(shí)驗(yàn)已經(jīng)進(jìn)行了6次調(diào)校，以確定影響
圖3 工件的詳細(xì)圖紙。
關(guān)于TITAN15的不銹鋼工具在蒸餾水含量為15%,使用粒度為320的氧化鋁泥漿的情況。該實(shí)驗(yàn)開始時(shí)設(shè)置機(jī)械應(yīng)力率的評(píng)分為超聲波打孔機(jī)的（30％為500W）150W。然后，允許機(jī)器鉆具有常不斷泥漿流速和泥漿溫度的固定深度為1mm。備受關(guān)注的深度利用千分表觀察。相應(yīng)地，采取超聲波電機(jī)鉆探所需時(shí)間用秒表測(cè)量。加工完成后，為尋找不同重量的損失，工件和刀具體重被測(cè)量。
相應(yīng)的材料去除率和刀具磨損率在功率為150W，300W和450W（500瓦的30％，60％和90％）時(shí)進(jìn)行了計(jì)算。在第一個(gè)設(shè)備的兩個(gè)實(shí)驗(yàn)，設(shè)置使用碳化硼漿料，碳化硅泥漿TITAN15工具工件。圖 5顯示降低死亡率和TITAN15的推理-重量比趨勢(shì)，在不同機(jī)器使用功率等級(jí)。第二個(gè)設(shè)備包括TITAN31工件在三個(gè)超聲功率設(shè)置的加工。
圖4 幾何工具的詳細(xì)圖紙（辛格and Kaman，2007年）
圖 5 材料去除率和推理-重力比使用額定功率（W / P的TITAN15and工具SS）的。
圖 6 材料去除率和推理-重力比使用額定功率（W / P的TITAN31and工具SS）的。
圖 7 材料去除率和推力-重力比使用額定功率（W / P的TITAN15and工具鈦）。
3。結(jié)果和討論
在六個(gè)不同的設(shè)備進(jìn)行重復(fù)數(shù)量的實(shí)驗(yàn)調(diào)校，比較結(jié)果已經(jīng)繪制。從圖5可以觀察整體TITAN15的材料去除率比使用氧化鋁漿料不銹鋼工具的推理-重量比整體較低，。然而第一組的三個(gè)實(shí)驗(yàn)材料去除率的趨勢(shì)相似。隨著機(jī)器額定功率的增加，由于較高的功率值磨料產(chǎn)生更多勢(shì)頭，隨著機(jī)器相當(dāng)高的功率值的增加，材料去除率的增加是相當(dāng)明顯的。因此，更多工件的侵蝕，但在某些情況下，隨著額定功率的增加，材料去除率的增加，這可能是因?yàn)榻档土斯ぷ骷膽?yīng)變硬化。隨著MRR的增加，刀具的磨損率也在提高。
圖 8 材料去除率和推力-重力比使用額定功率（W / P的TITAN31和工具鈦）。
圖9 材料去除率和推力-重力比使用額定功率（W / P的TITAN15and工具高速鋼）
圖 10 材料去除率和推力-重力比使用額定功率（W/PTITAN31高速鋼和工具）。
但是有時(shí)推力-重力比隨著額定功率在MRR方面的增加或降低，額定功率是很明顯的。這種現(xiàn)象的原因還有工具表面的應(yīng)變硬化。漿料類型的選擇對(duì)TITAN15的材料去除率，在這種情況下作為不重要的因素。然而，獲得更好的工具性能與氧化鋁漿料才是重要的。
至于對(duì)TITAN31不銹鋼工具的加工，材料去除率和推力-重力比的趨勢(shì)與TITAN31不銹鋼工具以前的情況是不同的。（指圖6）。這變化的原因可能是工件/刀具材料在特定的超聲功率基于其材料/化學(xué)成分特征的應(yīng)變硬化。TITAN31不銹鋼工具的加工的最好的參數(shù)在碳化硼漿料300W時(shí)已被觀察。
圖11機(jī)加工，展示了傳統(tǒng)的機(jī)械加工和表面顯微照片對(duì)比超聲加工;倍率：100×。超聲波
加工表面（鐳0.46），常規(guī)機(jī)加工表面（鐳0.8）。
在接下來(lái)設(shè)備，當(dāng)鈦的工具的設(shè)置使用，而已被發(fā)現(xiàn)。TITAN15的材料去除率，材料去除率表明泥漿類型的影響是微不足道的，其中作為TITAN31的選擇已經(jīng)被證明是重要因素。最好的設(shè)置已達(dá)到對(duì)于TITAN31是300W時(shí)的泥漿與碳化硼。
與'第五和第六設(shè)置突出了高速鋼工具'對(duì)于TITAN15和ITAN31工件的加工。這一趨勢(shì)得到，材料去除率和推力-重力比在第五和第六對(duì)碳化硼為Al2O3和泥漿的調(diào)校，幾乎是相似的，但碳化硅一些變化已經(jīng)觀察到。碳化硼漿料全部證明了是最好的選擇。這可能是因?yàn)榛谙鄬?duì)硬度的工具和工件更好的特定加工條件。
圖11顯示了一個(gè)表面超聲加工鈦樣品展現(xiàn)了當(dāng)和一傳統(tǒng)加工的面比較時(shí)，非定向的表面紋理。由超聲波產(chǎn)生加工，這些細(xì)化晶粒結(jié)構(gòu)可以擁有更好地強(qiáng)度和機(jī)械性能。（辛格和康巴，2006年，2007年Judean等。，2006年）。
4。結(jié)論
從實(shí)驗(yàn)中可以得出以下結(jié)論：
1。鈦是利用超聲波鉆探可一很好加工。如果工件高韌性值的工件是加工，并非總是必要的，MRR值將會(huì)減少。相反，它是相對(duì)工具和工件混合材料的組合影響。通過(guò)使用特定的工具可以達(dá)到較低的推力-重力比和更好的材料去除率。在特定工件的額定功率值和控制實(shí)驗(yàn)條件如泥漿類型的條件下。
2。使用不銹鋼工具和碳化硼泥漿已經(jīng)獲得最好的結(jié)果。在這些實(shí)驗(yàn)中獲得的這些結(jié)果表明在不同情況下具有密切的關(guān)系。（辛格，康巴，2007年b）。
3。不銹鋼，鈦和高速鋼工具沒有遇到重大疲勞的問(wèn)題，，任和碎片或折斷通常是由于刀具/孔在制造過(guò)程中錯(cuò)位造成的。
4。驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)顯示，在一般情況下，在材料去除率方面對(duì)于所選定工件（TITAN15和TITAN31）。有34.46％的改善。
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