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            磁控濺射鈦靶靶面磨削加工工藝

            發布時間:2023-05-11 15:56:27 瀏覽次數 :

            1、引言

            隨著人們對鈦材性能的認識,鈦及鈦合金產品在實際應用中愈來愈廣泛。近幾年作者因從事機械研制與加工工作,被要求接受大量真空磁控濺射鍍膜用鈦靶靶面精加工任務,這種濺射鍍膜用鈦靶靶面的平面度、粗糙度和厚度公差要求非常嚴格,國內尚無大批量商業產品供應,主要依靠進口,價格昂貴。本研究針對鈦導熱性差、退火態硬度低、塑性與韌性好、剛性差、化學活性高及無磁性等特點,對比選擇了磨削鈦濺射靶靶平面的主要工具砂輪,此外,對磨削參數進行了對比試驗,以確定鈦及鈦合金最佳的磨削工藝,為磁控濺射用鈦靶材的規模化生產提供可靠的依據。

            鈦靶

            2、磨削濺射鍍膜用鈦靶的特點

            磨削真空磁控濺射鍍膜的鈦靶,有以下的特點和技術上的難度。

            1)磨削工件是平面(圖1),凡平面磨削砂輪和工件的接觸面積大,磨削時發熱量大,尤其是鈦的導熱性差,其熱導率僅為鋼的1/40,在相同的磨削速度下,純鈦和TC4鈦合金磨削溫度約為45#鋼的1.5~2倍。特別像圖1所示的工件,磨削時發熱容易產生翹曲變形和燒傷。

            t1.jpg

            2)鈦材在退火狀態下,硬度較低,塑性與韌性好,磨削時砂輪粘附現象很嚴重,鈦屑呈云霧狀遍布砂輪表面,幾乎看不到砂粒,砂輪極易鈍化。

            3)純鈦的彈性模量小,僅為鋼的1/2,剛性也不好,容易受磨削力的作用產生變形。

            4)鈦的化學活性高,在磨削發熱條件下,很容易與環境氣氛發生反應使表面被污染。

            5)鈦是非磁性材料,鈦工件不能直接與工作臺面相吸引,磨削時只能靠自身重量及周邊擋塊作用來裝夾固定,所以作用在工件上的磨削力不能太大,否則工件易發生變形。

            為保證作為濺射用鈦靶平面磨削的質量和技術要求,要根據磨削工件的性質和技術特點來嚴格選擇和設計磨具。

            3、磨具的選擇

            組成磨具的主體是砂輪。對于確定的磨削對象,磨削的效果取決于砂輪的性能與磨削材質的匹配。本實驗磨削鈦工件(圖1),因此要根據其性質來考慮組成砂輪磨料種類及磨料的粒度、結合劑、砂輪致密度等因素。

            3.1 磨料種類

            磨料是制造磨具的最主要材料,磨削力來自于磨料。在磨料選擇方面,從鈦材極易粘附砂輪這一特性出發,本實驗分別采用單晶剛玉、白剛玉及綠碳化硅3種磨料的砂輪(硬度、粒度相同),對尺寸為304 mmx333 mm的TA2工件進行對比磨削試驗,結果見表1。

            b1.jpg

            根據試驗結果,決定采用以白剛玉為磨料的砂輪,因其磨粒易碎裂,韌性低,棱角鋒利,切削性能好,產生的磨削熱量小,砂輪容易保持其一定的自銳性,有利于減少磨削力。至于表面局部的燒傷現象,通過調整砂輪硬度及組織可得到改善。

            t2.jpg

            3.2 硬度

            這里所謂的磨具硬度,是指砂輪在外力作用下磨粒脫落的難易程度。砂輪過硬,磨鈍的磨粒不易脫落,砂輪易堵塞,使磨削阻力增大,磨削熱量增加,降低磨削效率,且工件易燒傷;若砂輪過軟,又容易被損耗。根據鈦材性質,選擇中軟硬度級別。

            3.3 組織

            組織是指砂輪中磨粒所占體積百分比,即砂輪的致密度。組織相對疏松的砂輪不易堵塞,磨削力不易降低,有利于提高生產效率。對鈦材而言,砂輪的組織應選擇疏松級別。

            3.4 結合劑

            結合劑決定了磨具的強度、抗沖擊性、耐熱性和抗腐蝕性。根據鈦材特點及結合劑性能,選擇了耐熱、抗腐蝕性,且易實現大氣孔率、高磨削效率的陶瓷結合劑。

            3.5 粒度

            粒度的選擇主要考慮表面粗糙度和磨削效率。粒度越小越容易降低表面粗糙度值,但相應地磨削效率有所下降。在對工件的對比磨削試驗中,分別選用了36#,46#,60#粒度的砂輪進行了對比,結果得出,采用36#粒度的砂輪進行磨削,表面粗糙度能達到Ra 1.6以上,磨削所需時間較短;46#粒度砂輪能達到Ra0.8,60#粒度砂輪可達到Ra0.4以上,但所需磨削時間較長。比較其綜合效果,選擇46#粒度砂輪。

            4、磨削參數的選擇

            4.1 磨削速度

            采用46#粒度砂輪的條件下,對本實驗工件(圖1)進行了磨削。粗磨時,選擇砂輪的線速度v0=30~35m/s,工件縱向進給速度vw=18~25m/min,砂輪徑向進給量fr=0.015~0.025mm/單行程。精磨時,選擇V0=35m/s,vw=12~15m/min,fr=0.005 mm/單行程。

            若有更高精度及表面粗糙度要求時,在精磨前應修整砂輪,用2~4個行程無火花磨削至最終要求。

            4.2 磨削液

            在磨削中,應使用磨削液來緩解加工表面的磨擦,降低磨削溫度,排除切屑,保護加工表面。

            在本實驗中采用普通乳化油即可滿足要求。若有更高磨削精度及表面粗糙度要求時,應使用含添加劑S,CI,P的極壓油,效果更好。

            5、結論

            1)采用本研究的磨削工藝,對真空磁控濺射鈦靶(純鈦或鈦合金)進行磨削,在加工余量相同的條件下,表面粗糙度達到Ra0.4,厚度公差可控制在0.03mm之內,平面度公差可控制在0.02mm之內,比采用普通磨削方法效率提高2倍以上。

            2)可將此磨削方法應用到紫銅及純銀材料的磨削中,也得到非常好的效果,尺寸精度可達IT5級,表面粗糙度達到Ra0.4,打破了機械行業中通常認為紫銅、純銀不能磨削的觀點。

            參考文獻

            【1】Han Rong(韓榮).Cutting Process of Difficult MachiningMaterial(難加工材料的切削]JIISE)[M].Beijing:Mechani—cal Industry Press,1990.182-185

            【2】Hua Dingan(華定安).Machining of Titanium and Its Alloy(鈦及鈦合金的加工)【M】.Bering:Metallurgical Industry

            Press,1997.195-197

            【3】Li Fulai(李福來).Handbook o,Grinding Tool(磨具手冊)【M】.Beijing:Metallurgical Industry Press,1989.133-135

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