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低溫冷卻用於Ti-6Al-4V 微銑削之研究

摘要"

本文針對微銑削時的表面黏屑、刀具磨耗和毛邊等問題,提出了以液態二氧化碳來輔助微銑削Ti-6Al-4V,並將結果與乾切削、高壓空氣輔助、最少量潤滑和濕切削的加工結果比較。在乾切削環境下,使用刀徑0.5 mm銑削時,表面粗糙度會隨著切削速度的增加而減低,符合一般的切削趨勢;但在使用刀徑0.3 mm乾銑削時,在切削速度高於40 m/min時會有切屑黏附於加工表面,使得表面粗糙度變差,推測這是因切屑細小且破碎,加上切削時的高溫使之黏附於表面上。使用液態二氧化碳輔助銑削因為能有效降低切削溫度,故能改善表面黏屑的情形,於切削速度70 m/min時,能將乾切削的Ra值從0.09 µm減至0.04 µm;進給4 µm/tooth,切深20 µm,切削長度1200 mm之後並沒有刀腹磨耗,但乾切削在同樣實驗參數下卻有70 µm的刀腹磨耗;因為低溫降低材料延性,毛邊發生的現象也獲得改善,毛邊高度比乾切削時少了77 %。此外,為了增進以液態二氧化碳輔助加工的潤滑效果,本文提出以液態二氧化碳輔以最少量潤滑來銑削Ti-6Al-4V,實驗結果顯示切削速度70 m/min時,切削力較單純使用液態二氧化碳輔助低了12 %,且沒有發現表面黏屑的情形,顯示此策略既保有低溫冷卻的效果,也可增進潤滑能力,表面粗糙度從0.04 µm降至0.034 µm,改善了15 %,毛邊高度從32 µm減至16 µm,減低了50 %。

關鍵詞:微銑削、鈦合金、液態二氧化碳、最少量潤滑、高壓空氣

前言

 

近年來有許多產業對高精度、微小化元件的需求越來越大,包括了航太、生醫、電子、通訊、汽車工業等。微銑削是用來創造這些微小元件的方法之一,這些元件的尺寸範圍從幾微米到幾十微米之間 [1]。微銑削有以下優點:設置的成本低、可以有效率的加工、製程可以專為單一元件設計,不需要批量生產,也可以在加工中即時監控加工過程,可以加工3D自由曲面,這點對於生醫的植入件尤其重要,微銑削也可以針對各種材料:包括金屬材料、陶瓷材料、高分子材料等加工 [2]。但要如何在微銑削中得到好的加工表面品質一直是個課題。因為在微銑削中,切深通常在幾微米到幾十微米之間,材料性質和材料微結構對加工後的表面會有更大的影響,而產生的毛邊更為細小且難以處理 [3]。

Ti-6Al-4V鈦合金有良好的強度、比重輕、極佳的抗腐蝕性和好的生物相容性等性質,所以是最常被使用的鈦合金,應用的方面包括了航太工業、醫療零件、運動設備等。但Ti-6Al-4V的熱傳導係數和比熱值均小,在切削加工時,會導致較高的切削溫度。Ti-6Al-4V的楊氏係數小,在加工時容易變形,使得尺寸精度變差,並發生嚴重的毛邊。此外,其有強大的化學親和力,造成切削時容易因為高溫而產生熔著的現象,因此至今為止,鈦合金仍被歸類為一難切削材料。

目前針對Ti-6Al-4V此一材料微銑削的研究屈指可數,因此研究Ti-6Al-4V在微銑削下的加工性質就顯得更為重要。

Filiz等人 [4]使用直徑0.254 mm之碳化鎢端銑刀對Copper 101進行加工,分別以每刃進給量0.75、1.5、3、6 µm/flute,切削速度40、80、120 m/min,切深30 µm做為實驗參數,探討表面粗糙度、切削力、毛邊情況和刀具磨耗;實驗結果顯示,跟傳統銑削不同,在最低進給和最低切削速度時,會有最大的刀具磨耗,而在最大進給時刀具磨耗最小,會有這現象是因為在低進給時,會有較嚴重的犁切現象;當進給很低時,不管切削速度為何,皆會產生大量毛邊,其中隨著刀具磨耗的增加,切削力也隨之增加,毛邊的量也增多。

Lee和Dornfeld [5]指出,在傳統溝槽銑削中,溝槽兩側的毛邊通常不會很嚴重,並不一定需要有後續除毛邊的動作,但是在微銑削中,因為刀鼻半徑比每刃進給大很多,使得溝槽兩側的毛邊會比傳統銑削相對嚴重。Lee和Dornfeld [6]使用刀徑0.254 mm微端銑刀切削304不銹鋼,來觀察毛邊高度與刀具磨耗和每齒進給的關係,實驗結果顯示,隨著每齒進給增加,切削力會變大,使得毛邊高度增加,而隨著刀具磨耗的增加,毛邊高度也會越高。

Liao與Huang [7]使用直徑0.5 mm和0.3 mm兩種微端銑刀和一般直徑10 mm的端銑刀,加工6061鋁合金和S20C低碳鋼兩種金屬材料,以不同的切削速度加工後,量測表面粗糙度,實驗結果發現,在使用直徑0.5 mm端銑刀銑削S20C低碳鋼和使用直徑0.3 mm端銑刀銑削鋁合金時,表面粗糙度並未隨著主軸轉速的提升而顯著降低,並且發現切屑容易形成破片及粉末狀,並黏附在加工後的表面和刀具上,這些現象異於一般傳統尺寸銑削。針對此問題,此研究提出使用高壓空氣將切削液送入切削區域,達到改善表面粗糙度的目的。

Schueler等人 [8]使用直徑48 µm端銑刀針對Ti-6Al-4V和Ti-6Al-7Nb兩種材料進行加工,在三種不同的進給速度下(0.084 µm/tooth、0.168 µm/tooth、0.252 µm/tooth)去觀察加工後的表面和毛邊。實驗結果顯示,表面的好壞與進給量沒有甚麼關連,但加工後溝槽兩側會有嚴重的毛邊產生,推測是在切削時,壓縮應力將材料推向自由表面。不過這篇研究使用的切削速度只到9 m/min,在比較高的切削速度下微銑削Ti-6Al-4V會有怎樣的切削特性仍然值得去探討。

Wang和Rajurkar [9]在車削鈦合金和Inconel時,針對刀片使用液態氮做局部冷卻,不會冷卻到工件,避免工件變硬且維持工件延性;這個方法可以有效降低刀具溫度,使刀具材料保持強度,減少刀具磨耗;與乾切削相比,可以得到更好的表面粗糙度;此外,噴灑出的液態氮會直接蒸發到空氣中,對環境無害,也不會有切削液的殘留;而切屑和工件上也不會有殘留的切削液,可以省略後續處理。

Dhar等人 [10]指出,使用液態氮低溫冷卻可以顯著降低切削溫度,減少切屑與刀具的接觸長度,增加斷屑的能力,藉由降低切削溫度而將刀具材料控制在軟化溫度之下,維持刀具在切削過程中的強度,減少切削力。

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