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钛合金激光砂带加工磨削热实验研究

日期:2022/4/7
来源:中国研磨网—98期《中国研磨》杂志

   文/肖贵坚 刘振扬 邓忠才 重庆大学

  摘要:钛合金因其优越的热机械性能广泛应用于航空航天领域,但其高强度、低导热性的材料属性造成其成为典型的难加工材料。激光砂带磨可以在加工过程中改善钛合金材料的可加工性,但也伴随着引入了更高的磨削热,这会影响钛合金加工后的表面完整性,研究这种新工艺加工过程中的磨削热意义重大。通过改变激光参数和磨削参数进行激光砂带磨削钛合金磨削热对比试验实验,使用Smart View软件分析比较不同影响因素下加工过程中的磨削热的变化分布规律。结果表明:激光扫描速率的减小、激光功率和磨削参数的增大都会导致磨削热增加;在激光砂带加工过程中激光参数对磨削区域磨削热影响最大的因素是激光扫描速率;磨削参数中对磨削区域磨削热影响最大的因素是砂带转速,次之是下压量,影响最小的是工件进给速度。

  引言

  钛合金因其优越的材料特性(强度高、耐蚀性好、耐热性高)广泛应用于航空发动机、火箭、导弹和高速飞机的关键结构零部件的制造。但其独特的低导热弹性、高强度使其成为典型的难加工材料。激光砂带磨削可以对难加工材料进行加热软化从而有效提高难加工材料的可加工性。但激光能量和磨削功率绝大多数都以热能方式转化,钛合金导热性差,导致磨削区域温度急剧上升。过量的磨削热会影响钛合金加工后的表面完整性。研究激光砂带加工钛合金过程中磨削热的影响因素对改善激光砂带加工工艺提高钛合金表面完整性有重要意义。

  本文针对钛合金激光砂带加工磨削热的影响因素展开研究,开展了一系列激光参数和磨削参数对比试验。通过激光功率、激光扫描速率、磨削速度(砂带转速)、磨削深度(下压量)、进给量五个主要影响因素对钛合金激光砂带加工磨削热的影响进行分析研究,为优化钛合金激光砂带磨削加工工艺提供新的思路。

  1实验条件和方法

  1.1 实验材料

  本实验所采用的工件材料为钛合金板材,如图1所示,实验钛合金板材的尺寸为200mm×100mm×2mm。实验用砂带为VSM XK870X锆刚玉陶瓷砂带。磨削加工工艺提供新的思路。

图1 钛合金实验板材

  1.2 实验平台和检测设备

  实验平台为重庆大学高性能表面完整性团队激光砂带磨实验平台,如图2所示,该平台结合了超快激光加工的高精度、无损伤和砂带磨削高效率、高表面完整性的加工特点,能实现仿生或功能性微纳结构高效、高精度及其强化加工。装备集成了高端冷光源激光加工成套设备和砂带磨削装置,整体采用具有高稳定性的大理石框架结构,集成激光发生器、激光传输聚焦扫描系统、五轴运动平台、观察检测系统、外围辅助系统以及大型计算机控制系统,各部分相互配合形成统一的整体,形成闭环控制系统,人机交互便捷,适用于表面织构、材料精细微加工。

图2 激光砂带协同加工装备

  磨削热检测设备采用Fluke Ti32热成像仪及配套设备,如图3所示,Fluke Ti32热成像仪可实现-20℃到+600℃的测量(误差±2℃),可以通过取大值发射率补偿背景温度;图像捕捉频率9 Hz 刷新率或 60 Hz 刷新率;探测器类型320×240 焦平面阵列;非制冷微测辐射热计热灵敏度(NETD)≤0.05℃,(30 ℃目标温度时)(50 mK)光谱带7.5μm~14 μm(长波)可见光照相机200万像素最小焦距46 cm(约18 in)。可实现实验过程中的温度检测。

图3 Fluke Ti32热成像仪及配套设备

  1.3 实验方法

  选择不同激光参数和磨削参数进行激光砂带协同加工实验,在加工过程中使用Fluke Ti32热成像仪记录实验中的磨削热和磨削区域热场分布情况。记录过程中保证Fluke Ti32热成像仪对焦在激光和砂带接触的部位,为研究磨削区域热场分布情况,拍摄区域必须包含激光砂带协同加工过的整个区域。激光参数选择不同的激光功率和激光扫描速度作为变量;磨削参数选择不同的砂带线速度(电机转速),磨削深度(下压量),工件进给速度作为变量,参数如表1所示。

  2实验结果与分析

  2.1激光功率对磨削热的影响

  参照表1中实验参数以激光功率为变量进行单因素对照试验,在激光扫描速率为1500mm/s,砂带转速为200mm/s,下压量为0.1mm,工件进给速度为1mm/s的条件下改变激光功率在同一块钛合金材料上进行激光砂带协同加工。使用Fluke Ti32热成像仪在同一位置拍摄,通过Smart View软件进行观察。得到的磨削热分布图如图4所示。

图4 以激光功率为变量磨削热分布图

  通过Smart View软件进行观察激光砂带协同加工过程中的加工接触部分的温度分布,可以明显看出随着激光功率的增大激光砂带协同加工区域温度呈上升趋势,1、2、3、4号实验过程中的接触点最高温度分别为474℉、515℉、492℉、493℉,磨削区域的平均温度分别为388.6℉、388.8℉、393.7℉、401.2℉。

图5 激光功率对磨削热的影响

  通过图5中反应的激光功率对激光砂带协同加工过程中磨削热的影响趋势,激光功率越大,激光对材料的加热作用越强,在改变激光功率的单因素实验结果可以看出,磨削区域的平均温度随激光功率增加单调上升;磨削区域的最高温度出现在激光和砂带加工的协同位置之后,整体呈上升趋势。

  2.2 激光扫描速率对磨削热的影响

  为了探索激光扫描速率对磨削热的影响,采用激光扫描速率分别为1500mm/s、1250mm/s、1000mm/s三个不同参数,进行对比试验。对比出在激光功率为9W、砂带转速为200mm/s、下压量为0.1mm、工件进给速度为1mm/s条件下激光扫描速率对磨削热的影响,实验的结果的到其在激光砂带协同加工过程中的最高区域温度和磨削区域平均温度。最高温度分别为493.3℉、560.2℉、593.4℉,磨削区域平均温度分别为401.2℉、445.4℉、470.1℉。

图6激光扫描速率对磨削热的影响

  通过图6可以明显观察出激光砂带协同加工过程中的磨削热随着扫描速率的减小而单调变大,而且温度变化范围接近100℉。说明激光扫描速率对激光砂带协同加工过程中的磨削热影响显著。

  激光扫描速率对激光砂带协同加工磨削热的影响如此明显,分析原因是对于实验中采用的脉冲激光来讲激光扫描速率越大那么激光的重叠比就会变小,而激光的重叠比是影响激光热影响效应的关键参数。激光加工的重叠比越大那么激光在同一时间加工的区域就越小受加工区域的能量积累就会越多,单一区域的温升效应就会越明显。

  增大了磨削速度以探究在砂带磨削增强的情况下探究激光扫描速率对激光砂带协同加工过程磨削热的影响效果。在激光功率为9W、下压量为0.1mm、工件进给速度为1mm/s、砂带转速为400mm/s的条件下,激光扫描速率在1500mm/s、1500mm/s、1000mm/s的不同条件下的磨削热。6、16、23号实验过程中的磨削区域平均温度分别为405.2℉、450.5℉、496.1℉,最高温度分别为485.7℉、622.2℉、622.1℉。

图7激光扫描速率对磨削热的影响

  对比图7和图6可知在两组实验中有相似的温度变化规律,即随着激光扫描速率的减小伴随的时磨削区域温度的增加。说明此规律是激光砂带协同加工过程中的一般规律。而且在图7实验中磨削区域的平均温度变化还是有100℉的变化,表明激光扫描速率对激光砂带协同加工磨削热的影响是有主导性的。与图6实验对比,增加磨削用量增加砂带转速提高一倍,其对温度的影响仅仅只有几℉,其在激光砂带协同加工过程中对磨削热的影响是远远小于激光扫描速率的。

  2.3 砂带转速对磨削热的影响

  进行砂带转速对磨削热的影响实验,结果可以得到其磨削区域的平均温度随着砂带转速的增大单调线性上升;最高温度波动单调上升。由此可知单纯改变砂带转速对激光砂带协同加工过程中磨削热的影响单调的,而且平均温度和最高温度的变化是相似的如图8所示,随着砂带转速从200mm/s增长到600mm/s的过程中都是单调上升而且都是上升相近的温度,平均温度上升37℉左右,最高温度上升35℉左右。

图8砂带转速对磨削热的影响

  2.4 下压量对磨削热的影响

  进行不同下压量对磨削热的影响实验,在不同下压量的实验中的平均温度随下压量的增大缓慢上升,最高温度随下压量的增加上升幅度很小。

  下压量分别为0.1mm、0.2mm、0.3mm、0.4mm的实验中平均温度相差17℉左右,证明在激光砂带协同加工过程中下压量在此范围内变化对磨削热的影响作用一般,影响规律是随着下压量的增加激光砂带协同加工过程中磨削热也随之变大,单调上升,如图9导关系。下压量对实验中的磨削热影响不属于支配作用。

图9下压量对磨削热的影响

  探究另一激光扫描速率条件下下压量变化对磨削热的影响,结果呈现出激光砂带协同加工过程中磨削热的最大值分波动巨大有不确定性,平均值分别为呈现出线性上升趋势。相比于图9中的实验,平均温度上升了50-60℉,增加效果明显,如图10所示。

图10下压量对磨削热的影响

  可以发现下压量对磨削区域平均温度的影响是均匀稳定的,最高温度出现不确定性。图9和图10对比可知激光扫描速率的的影响更加明显。

  2.5 工件进给量对磨削热的影响

  在不同进给量条件下进行试验探究进给量对磨削热的影响,进行三组实验,从结果可知这三组实验中磨削区域的最高温度分别为493.3℉、516.9℉、485.7℉,平均温度为401.2℉、401.3℉、405.2℉。通过平均温度来看进给速度对与激光砂带协同加工的磨削热影响作用不明显。由于砂带转速与进给运动的数量级相差很大因此作用就微乎其微了。

  实验中激光砂带协同加工磨削热出现的最高平均温度和最大温度的是实验参数为激光功率为9W、激光扫描速率为1000mm/s、砂带转速为200mm/s、下压量为0.4mm、工件进给速度为1mm/s。其加工过程中的磨削区域温度分布图如图11所示。

图11 最高平均温度和最大温度组磨削区域温度分布

  最高温度的出现是激光热效应和砂带磨削热效应叠加作用的结果,在实验中激光扫描速率为1000mm/s在此条件下激光重叠比最大,也是对最高温度影响的最大因素;磨削参数中影响突出的是0.4mm的下压量,此时砂带磨削加工过程中有最大的磨削力,因此产生的磨削热最大。两者叠加作用导致的加工区域平均温度为650.8℉,最高温度为902.9℉。

  3结论

  1、在激光砂带加工过程中激光参数对磨削区域磨削热影响最大的因素是激光扫描速率,其影响激光的重叠比对加工过程中材料能量吸收和热量积累有显著的影响作用,激光的扫描速率降低激光的重叠比增加会加强激光的热效应。

  2、在磨削参数中对磨削区域磨削热影响最大的因素是砂带转速,次之是下压量,影响最小的是工件进给速度。砂带转速在达到一定速度之后继续增大磨削热会有急剧增加的过程,材料可能会发生烧伤。

  3、本实验对钛合金激光砂带加工磨削热的影响进行分析研究,为优化钛合金激光砂带磨削加工工艺提供新的思路,为其用于航空航天高性能零部件加工有一定指导意义。

关键字:钛合金激光砂带
[责任编辑:小娜]
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