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Invar 36合金的加工性及低应力加工工艺

乔玉鹏  
【摘要】: 作为最常用的低膨胀材料,Invar 36合金在精密仪器、精密模具、精密加工设备和武器装备等领域具有无可替代的应用价值,例如可用于制造光刻机的精密结构件和激光器反射镜基板等关键零件。然而,Invar 36合金在物理特性、机械性能等方面与普通合金差异较大,对Invar 36合金的加工性、加工表面完整性以及加工残余应力引起的变形等重要方面认识的不足限制了该合金的应用。本文比较系统地研究了Invar 36合金切削加工性、磨削加工性、磨削加工表面完整性及低应力加工工艺,在此基础上提出了Invar 36合金低应力加工的工艺路线和工艺参数。 本文的主要研究工作及结论如下: 通过车削试验,从切削力、断屑性能、表面粗糙度、加工变质层以及刀具寿命等方面研究了Invar 36合金切削加工性。与C45钢和1Cr18Ni9Ti不锈钢相比较,Invar 36合金加工表面粗粗糙度较好,加工变质层厚度较小,刀具寿命较长,但是切削力大,并且易生成连续带状切屑,切屑内表面纤维化也比较明显,滞流层厚度是C45钢和1Cr18Ni9Ti不锈钢的10~12倍,因此,断屑性能差。综合评价,Invar 36合金的切削加工性优于1Cr18Ni9Ti不锈钢,但是比C45钢差。 从磨削力、磨削温度、磨削表面粗糙度和表面变质层深度、成屑形态、磨削比等方面分析了Invar 36合金磨削加工性。Invar 36合金的磨削力高于1Cr18Ni9Ti不锈钢和C45钢,磨削温度介于C45钢和1Cr18Ni9Ti不锈钢之间,磨削比明显低于C45钢但略高于1Cr18Ni9Ti不锈钢。Invar 36合金正常磨屑呈弯曲的纤维状。当磨削深度超过20μm时,砂轮粘附和堵塞比较严重,砂轮过早钝化,并导致磨削温度升高、工件表面质量下降。综合比较认为,Invar 36合金的磨削加工性介于C45钢与1Cr18Ni9Ti不锈钢之间。 从表面粗糙度、表层残余应力、加工硬化及变质层等方面研究了Invar 36合金的磨削表面完整性,着重研究了Invar 36合金磨削残余应力。在本文试验条件下,Invar 36合金表面有较大的残余拉应力,峰值残余应力位于表面以下40~50μm,表面80μm以下为较小的残余压应力,磨削表面残余应力层深度小于180μm。磨削温度是磨削残余拉应力生成的主要原因。Invar 36合金的磨削温度对工艺参数比较敏感,其中磨削深度的影响最为显著。当磨削深度减小时,磨削温度降低,表面层残余拉应力减小;当磨削深度小于20pm时,磨削表面层温度约降低到300℃以下,材料热膨胀系数急剧减小,磨削表面层残余拉应力显著减小。为降低磨削残余应力,磨削深度不宜超过20μm。 通过总结Invar 36合金已有的热处理工艺和本文加工工艺试验结果,以控制加工变形和减小残余应力为目标,提出了低应力加工工艺路线,即在粗加工、半精加工和精加工之间分别引入去应力及稳定化处理,并在精加工中采用低应力加工工艺参数。在此基础上,进行了精加工工艺参数的选择。切削加工Invar 36合金时,YG8硬质合金刀片切削力较小,适宜于Invar 36合金精加工。提高切削速度、增大刀具前角、减小切削深度均可减小切削力,并减小加工硬化程度和表面变质层厚度。铬钢玉砂轮磨削Invar 36合金时磨削力小,磨削温度低,磨削表面粗糙度好,适宜于Invar 36合金低应力磨削。


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