In che modo il metodo di passivazione degli utensili influisce sulla lavorazione delle leghe di titanio?

Il titanio TC4 è caratterizzato da bassa gravità specifica, elevata resistenza, alta temperatura e resistenza alla corrosione. È un materiale difficile da lavorare. Le leghe di titanio TC4 sono comunemente lavorate con utensili in carburo e il materiale e la qualità degli utensili sono critici.

Tuttavia, per produrre parti di alta qualità, oltre a disporre di macchine utensili di precisione ultra-precisa e strumenti di misurazione, anche utensili di alta qualità rappresentano un elemento fondamentale per migliorare la qualità e le prestazioni dell'utensile, che è uno dei mezzi essenziali della tecnologia di passivazione dei bordi degli utensili.

La tecnologia di passivazione del bordo dell'utensile può eliminare i difetti microscopici prodotti dopo l'affilatura dell'utensile (ad esempio denti aperti, crepe di dentellatura, ecc.) per aumentarne la durata, migliorarne la qualità della lavorazione e ridurre i costi di produzione, il che svolge un ruolo significativo.

Attualmente, studiosi in patria e all'estero hanno condotto ricerche approfondite sulla tecnologia di passivazione degli utensili. WyenC. F. et al. hanno utilizzato utensili in carburo cementato per tagliare la lega di titanio e hanno studiato l'effetto del raggio del tagliente sulla forza di taglio e sul coefficiente di attrito. I risultati dei test hanno mostrato che la forza di taglio e il coefficiente di attrito aumentavano con l'aumento del raggio del tagliente.

Özel T. et al. hanno utilizzato utensili CBn per tagliare acciaio per utensili da lavoro a caldo aISI H13 CrMoV. Hanno studiato l'effetto della passivazione dell'utensile sulle forze di taglio mediante simulazione numerica. Hanno scoperto che minore è la durezza superficiale del pezzo in lavorazione, minore è il raggio del tagliente e minori sono le forze tangenziali e radiali generate.

Varela PI et al. hanno studiato la relazione tra geometria del tagliente dell'utensile, rugosità e stress residui. Hanno verificato la conclusione che l'integrità della superficie del pezzo in lavorazione è migliorata dopo che il tagliente dell'utensile è passivato.

I risultati sperimentali hanno mostrato che la rugosità superficiale e lo stress residuo del bordo piano-bordo arcuato erano più significativi tra le diverse geometrie del bordo: bordo piano, bordo arcuato e bordo piano-bordo arcuato.

Zhang Gaofeng et al. hanno utilizzato utensili in carburo cementato rivestiti per condurre test di taglio sulla lega ad alta temperatura GH4169 e hanno studiato l'effetto del raggio di passivazione sulla rugosità superficiale. I risultati del test mostrano che, con diverse alimentazioni, la rugosità superficiale prima aumenta e poi diminuisce con l'aumento del raggio di passivazione.

Peng Lingzhou et al. hanno utilizzato una fresa per PCB passivata con spazzola a disco diamantata per un test di fresatura su lega di titanio. I risultati mostrano che la durata dell'utensile e la rugosità superficiale dopo la passivazione sono superiori a quelle di una fresa non passivata. La durata dell'utensile con l'aumento del valore di passivazione mostra una tendenza all'aumento e poi alla diminuzione, e la rugosità superficiale della lega di titanio aumenta con l'aumento del valore di passivazione.

Shao Guangpeng et al. hanno utilizzato l'utensile passivato per il test di fresatura sulla lega GH4169. I risultati mostrano che il valore della profondità di taglio varia da 0.5 a 4 volte il raggio del tagliente. Quando la profondità di taglio è 2 volte il raggio del tagliente, la rugosità superficiale è inferiore.

Studiosi nazionali e stranieri hanno studiato le prestazioni di taglio del pezzo in lavorazione per il raggio smussato del tagliente. Tuttavia, sono state condotte poche ricerche sull'effetto della modalità di passivazione dell'utensile sul raggio del tagliente dell'utensile.

Secondo le ricerche esistenti, l'effetto del metodo di passivazione sul raggio del tagliente dell'utensile è significativo.

Questo documento adotta il metodo di passivazione del flusso abrasivo rotante per il metodo di passivazione della ricerca sul metodo di passivazione flessibile e il metodo di passivazione rotativa verticale per apportare miglioramenti. Il processo di passivazione fa ruotare passivamente i grani abrasivi e i grani abrasivi e i bordi dell'utensile producono un movimento relativo per rendere i grani abrasivi e l'utensile più uniformi nel contatto per passivare meglio l'utensile;

Allo stesso tempo, è necessario modificare la grana di passivazione e configurare grane di passivazione più efficaci per il materiale dell'utensile.

Sono stati utilizzati diversi utensili di passivazione per eseguire test di fresatura laterale sulla lega di titanio TC4 per analizzare l'impatto della passivazione dell'utensile sulle prestazioni di fresatura della forza di taglio, della temperatura di taglio e della morfologia della superficie.

I risultati dei test forniscono una base per la selezione ragionevole di metodi di passivazione dei bordi degli utensili e migliorano le prestazioni di fresatura della lega di titanio TC4.

Design sperimentale

1. Metodo di passivazione del bordo

La figura 1 mostra il metodo di passivazione rotativa verticale. La macchina è azionata dall'asse centrale, z1, per azionare l'asse slave, z2; i due assi ruotano in direzioni opposte.

L'utensile di passivazione è collegato all'asse z2 e si muove nella stessa direzione e alla stessa velocità di questo.

Il tagliente dell'utensile di passivazione si perde completamente nei grani abrasivi sottostanti. La rotazione dell'utensile guida il movimento dei grani abrasivi sottostanti, quindi i grani abrasivi impattano sul tagliente dell'utensile per ottenere l'effetto di rifinitura della forma del bordo.

I granuli abrasivi con passivazione rotativa verticale sono costituiti principalmente da gusci di noce e simili.

Il metodo di passivazione a flusso di graniglia rotante della rotazione della fresa e il metodo di passivazione a flusso verticale sono gli stessi, ma utilizzano tipi di grana abrasiva diversi. La grana a passivazione a flusso verticale è una grana abrasiva dura, mentre la grana abrasiva a flusso di graniglia rotante è una grana abrasiva flessibile.

La grana flessibile è una nuova grana composta da una miscela proporzionale di materiali quali polimeri poliidrossilici, acqua deionizzata e grani abrasivi.

Durante il processo di preparazione del flusso abrasivo rotante, sono state utilizzate vibrazioni ultrasoniche e agitazione meccanica per promuovere una dispersione uniforme del polimero poliidrossilico e dei granuli abrasivi.

2. Programma di prova

Il materiale del pezzo di prova è una lega di titanio TC4, 150 mm × 150 mm × 50 mm. La composizione chimica è mostrata nella Tabella 1.

L'utensile di prova è una fresa in carburo di tungsteno-cobalto. Diversi metodi di passivazione dividono l'utensile in passivazione rotativa verticale non passivata e passivazione a flusso abrasivo rotativo. Il resto dei parametri dell'utensile sono gli stessi. I suoi parametri geometrici sono mostrati nella Tabella 2.

Gli utensili di prova sono stati preparati utilizzando una rettificatrice per utensili CNC Walther HelITronIC PoWer.

L'attrezzatura utilizzata per il metodo di passivazione rotativa verticale era il passivatore per utensili yH04;

L'attrezzatura utilizzata per il metodo di passivazione a flusso abrasivo rotativo è un'attrezzatura di passivazione speciale con lo stesso principio di passivazione del metodo di passivazione rotativa verticale.

Attrezzatura per prove di fresatura per il centro di lavoro verticale CNC VMC850B, modalità di fresatura per fresatura laterale, taglio a secco;

La forza di taglio è stata rilevata da un dinamometro ceramico piezoelettrico a tre vie KISTler 9257B e analizzata dal software DynoWare;

La temperatura di taglio è stata misurata mediante termografia a infrarossi FlIr;

La morfologia e la rugosità superficiale della lega di titanio TC4 sono state osservate mediante il profilatore ottico tridimensionale SenSoFar Sneox.

È stato utilizzato un test unidirezionale per studiare gli effetti di diversi metodi di passivazione sulle prestazioni di fresatura della lega di titanio TC4.

Parametri di taglio: velocità di taglio 90 m/min, velocità di avanzamento 200 mm/min, larghezza di taglio 1.05 mm, profondità di taglio 5 mm.

La fresatura laterale della lega di titanio TC4 è stata eseguita utilizzando tre utensili passivati ​​con metodi di passivazione rotativa verticale non passivata e passivazione a flusso abrasivo rotativo, con una lunghezza di taglio di 150 mm. Il programma di prova è mostrato nella Figura 2.

Risultati e discussione

1. Forza di taglio

La forza di taglio influenza la generazione di calore di taglio, l'usura dell'utensile e la formazione di trucioli. Determina la dimensione della potenza consumata nel processo di taglio e la deformazione del sistema di taglio. Pertanto, lo studio della forza di taglio e l'influenza dei parametri di taglio sulla forza di taglio aiuta ad analizzare e studiare il processo di taglio.

La forza di avanzamento Fy è studiata poiché questo test è per la fresatura laterale. La Fig. 3 mostra la variazione della forza di taglio con la distanza di taglio durante il processo di taglio della lega di titanio TC4 mediante utensili con diversi metodi di passivazione.

Poiché il tagliente dell'utensile è minuscolo, con l'aumento della distanza di taglio, presenta un certo grado di usura. Per garantire l'accuratezza dei risultati del test, la distanza di taglio è considerata pari a 10 ~ 50 mm, 50 ~ 90 mm e 90 ~ 130 mm, rispettivamente, per l'analisi della forza di taglio media.

Come si può vedere dal grafico a barre, la forza di taglio media dell'utensile non passivato è sempre maggiore di quella dell'utensile passivato durante l'intero processo di taglio, mentre la forza di taglio media dell'utensile passivato con flusso abrasivo rotante è la più piccola.

La forza di taglio media dei tre utensili durante il processo di taglio è stata rispettivamente di 82 n, 76 n e 60 n. Rispetto all'utensile non passivato, la forza di taglio dell'utensile passivato rotante verticale è diminuita del 41% e quella dell'utensile passivato a flusso abrasivo rotante è diminuita del 53.24%.

Dimostra che la passivazione del bordo dell'utensile riduce significativamente la forza di taglio e che il metodo di passivazione con flusso abrasivo rotante è più efficace.

Con l'aumento della distanza di taglio, aumenta la forza di taglio dei tre metodi di passivazione. La forza di taglio dell'utensile non passivato è significativamente più alta di quella dell'utensile di passivazione rotante verticale e dell'utensile di passivazione a flusso abrasivo rotante.

Ciò è dovuto alla passivazione dell'utensile sul bordo, che forma un arco più piccolo, eliminando il bordo del piccolo spazio e il raggio del bordo nella lavorazione della superficie del pezzo, che svolge la funzione di finitura e lucidatura.

Per i due metodi di passivazione degli utensili, la tendenza all'aumento della forza di taglio dell'utensile di passivazione mediante flusso abrasivo rotante è inferiore rispetto a quella del metodo di passivazione rotante verticale.

Il motivo è che la passivazione del flusso abrasivo rotante adotta un metodo di passivazione flessibile: nel processo di passivazione, l'utensile può produrre rotazione, in modo che le particelle abrasive entrino meglio in contatto con il tagliente dell'utensile e rimuova meglio i suoi piccoli difetti.

Ciò indica che l'utensile passivato può ridurre la forza di taglio durante la fresatura. Allo stesso tempo, il bordo preparato dal metodo di passivazione del flusso abrasivo rotante è superiore al metodo di passivazione rotante verticale.

2. Temperatura di taglio

Il calore di taglio nei processi di fresatura influisce notevolmente sulla durata dell'utensile, sulla precisione della lavorazione e sulla qualità della superficie.

La conduttività termica del materiale in lega di titanio è bassa e il materiale ha una scarsa capacità di dissipazione del calore. Nel processo di taglio, l'area di contatto tra il truciolo e la faccia anteriore è vicina al tagliente, quindi è difficile dissipare il calore ed è facile produrre un'elevata temperatura di taglio.

In questo esperimento, la termocamera a infrarossi FlIrT630SC ha misurato la temperatura superficiale del pezzo durante il processo di fresatura.

Dalla figura 4 si può ricavare che durante il processo di taglio della lega di titanio, l'utensile taglia la lega di titanio a 0 ~ 10S, momento in cui la temperatura aumenta rapidamente;

A 10 ~ 45, entra nella fase di taglio stabile, il contatto tra l'utensile e la lega di titanio è regolare e la temperatura di taglio di ciascun utensile fluttua entro un piccolo intervallo;

Dopo 45 minuti la lavorazione è terminata e la temperatura della lega di titanio diminuisce rapidamente.

Prendendo in considerazione la temperatura del processo di lavorazione a macchina costante, si può osservare che la temperatura di taglio dall'alto verso il basso è: utensile non passivato > utensile passivato rotante verticale > utensile passivato con flusso abrasivo rotante.

La temperatura media di ciascun gruppo durante la fase di taglio regolare è di 196.64 °C per un utensile non passivato, 174.59 °C per un utensile passivato rotante verticale e 151.65 °C per un utensile passivato con flusso abrasivo rotante.

Rispetto all'utensile non passivato, la temperatura del metodo di passivazione rotativa verticale è diminuita dell'11.21% e la temperatura del metodo di passivazione del flusso abrasivo rotativo è diminuita del 22.88%, il che equivale al modello di variazione della forza di taglio in questo test.

Questo fenomeno si verifica perché la fonte primaria della temperatura di taglio è l'energia consumata per superare la forza di taglio. Questa energia viene convertita in calore di taglio, aumentando la temperatura di taglio.

Allo stesso tempo, la passivazione dell'utensile porterà a un bordo più arrotondato, in modo che il raggio del bordo aumenti e l'utensile nel taglio effettivo, l'angolo frontale della temperatura di taglio dell'utensile ha un grande impatto, quindi la temperatura dell'utensile entro un certo raggio verrà ridotta con l'aumento del bordo.

La temperatura di lavorazione dell'utensile di passivazione del flusso abrasivo rotante è inferiore a quella dell'utensile di passivazione rotante verticale; questo perché, nel processo di passivazione rotante verticale, il grano abrasivo non può ruotare; la passivazione si basa principalmente sulla rotazione dell'utensile per guidare il grano abrasivo per la passivazione. E i grani abrasivi sono più impegnativi della passivazione del flusso abrasivo rotante dei grani abrasivi, con conseguente passivazione rotante verticale della superficie del tagliente del bordo dell'utensile eccezionalmente liscia e il bordo dei difetti minori sul bordo non viene eliminato.

3. Rugosità superficiale

La rugosità superficiale è formata dall'azione di rimozione del materiale dell'utensile sul pezzo lavorato nel processo di fresatura. È anche un indice importante per misurare le prestazioni di taglio dell'utensile, che sono direttamente correlate alle sue condizioni.

La figura 5 mostra la morfologia superficiale e la rugosità della fresatura della lega di titanio mediante diversi utensili di passivazione.

Come si può osservare dalla topografia della superficie sul lato sinistro della Figura 5, sulla superficie della lega di titanio è evidente una struttura di lavorazione a gradini, causata dal contatto tra l'utensile e la superficie del pezzo durante il processo di taglio dell'utensile.

Rispetto alla Fig. 5a, la Fig. 5B e la Fig. 5C mostrano una struttura di lavorazione più omogenea e una topografia migliore.

Questo perché il tagliente dell'utensile non passivato è più affilato e più incline all'usura durante il taglio, con conseguente tagliente più significativo. Al contrario, l'utensile passivato mostra prestazioni di taglio più stabili. Ciò riduce efficacemente l'usura del tagliente, migliora l'integrità della superficie dell'utensile e quindi migliora la qualità della superficie lavorata.

La rugosità superficiale alla stessa distanza di taglio (a⁃a′) è stata misurata in tre condizioni di taglio e i risultati sono mostrati nella Figura 5.

Dalla curva di contorno destra della Fig. 5, si può vedere che la rugosità superficiale è nell'ordine utensile non passivato > utensile passivato rotante verticale > utensile passivato con flusso abrasivo rotante, il che indica che la qualità del bordo dell'utensile passivato è migliore di quella dell'utensile non passivato.

La rugosità superficiale dell'utensile passivato rotante verticale è inferiore del 21.03% rispetto a quella dell'utensile non passivato. In confronto, quella dell'utensile passivato con flusso di grana rotante è inferiore del 31.01%, il che indica che l'utensile passivato con flusso di grana rotante rimuove i difetti microscopici dal bordo, garantendo al contempo l'affilatura dell'utensile e migliorando la resistenza del bordo. Quindi, la qualità superficiale del pezzo prodotto dall'utensile passivato con flusso di grana rotante è migliore. Migliore.

Allo stesso tempo, dall'ampiezza di fluttuazione dei picchi e delle valli si può ricavare che il cambiamento di fluttuazione della superficie lavorata dall'utensile di passivazione del flusso abrasivo rotante è più uniforme e la rugosità superficiale è la migliore;

La rugosità superficiale del pezzo lavorato dall'utensile di passivazione rotativa verticale è inferiore a quella della superficie del pezzo lavorato dall'utensile non passivato. Tuttavia, le fluttuazioni di altezza dei picchi e delle valli in alcune aree della superficie lavorata sono più evidenti a causa dell'aumento del raggio del bordo causato dalla passivazione. Il metodo di passivazione rotativa verticale non è uniforme come il metodo di passivazione a flusso abrasivo rotante, il che porta a difetti più significativi in ​​alcuni bordi e quindi rende la superficie del pezzo lavorato in alcune aree con una differenza di altezza più considerevole. Produce una differenza di altezza sostanziale.

Conclusione

Il metodo di test a un fattore è stato utilizzato per eseguire un test di fresatura laterale sulla lega di titanio TC4 per studiare le prestazioni di fresatura di tre diversi utensili di passivazione in termini di forza di taglio, temperatura di taglio e rugosità superficiale. Sono state ottenute le seguenti conclusioni.

(1) La tecnologia di passivazione del bordo dell'utensile può ridurre la forza di taglio e la temperatura di taglio durante il processo di taglio. Rispetto alla forza di taglio degli utensili non passivati, la forza di taglio degli utensili rotanti verticali passivati ​​è diminuita del 27.01% e la forza di taglio degli utensili rotanti abrasivi passivati ​​è diminuita del 35.67%. Rispetto alla temperatura di taglio dell'utensile non passivato, la temperatura dell'utensile rotante verticale passivato è diminuita dell'11.21% e la temperatura dell'utensile rotante abrasivo passivato è diminuita del 22.88%.

(2) La tecnologia di passivazione del bordo dell'utensile migliora la qualità della superficie lavorata. Rispetto alle superfici lavorate di utensili non passivati, la rugosità superficiale delle superfici lavorate è ridotta del 21.03% per utensili rotanti verticali passivati ​​e del 31.01% per utensili rotanti abrasivi passivati.

(3) Rispetto alla passivazione rotativa verticale, gli utensili passivati ​​mediante passivazione a flusso abrasivo rotativo sono più efficaci nel ridurre le forze di taglio e le temperature e nel rimuovere piccoli difetti sul bordo dell'utensile, migliorando l'uniformità del bordo dell'utensile e la qualità della superficie lavorata.

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