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Inconel 718在不同加工模式之切削力實測與分析

摘要"

難切削材在國防工業與民生工業皆廣為應用,因材料特性之故加工不易,其加工技術的掌握更顯重要,本研究針對難切削材之代表性材料Inconel 718,探討其在銑削、車削及超音波輔助鑽削不同切削模式下之切削力表現,作為提升其切削性能之依據。研究結果顯示,Inconel 718銑削之切削力係數ks與切削厚度相關,切削厚度較小時ks較高,切削力係數隨每刃進給和主軸轉速的提升而下降,也隨著主軸轉速的提升而下降;而車削Inconel 718時,對切削力係數ks影響最大的加工參數為進給,ks隨每刃進給增加而下降,此趨勢與銑削相同;至於超音波輔助鑽削之切削力量測與分析結果顯示,切削力隨進給與切削速度增加而增加,但受進給的影響較強烈,而切削力也隨超音波振幅增加而下降。此外,本文亦進一步探討透過主軸馬達電流或功率估算切削力,顯示其具可行性,值得進一步探討。

關鍵詞:Inconel 718、切削力、銑削、車削、超音波輔助鑽削

前言

難切削材包括鈦合金、鎳基合金等,因其具有高抗蝕性或高比強度而廣為應用,在國防工業與民生工業皆廣為應用,例如應用在須耐高溫與腐蝕的航太產業、船舶產業、海水淡化等載具,也應用在生醫器材產業。
鎳基合金代表性的材料為Inconel 718,因材料特性之故,加工時切屑容易在切刃堆積成為刃口積屑緣(BUE),累積的高溫加速刀具磨耗,提高切削扭矩與馬力,使得主軸切削負荷變化大,機台的運動也因切削負荷的變動造成精度的變動,造成刀具磨耗嚴重,加工精度掌握不易,加工效率降低,機具設備損耗加速,隨著全球航空與生醫產業的發展,其加工技術的掌握更顯重要。
Inconel的特性與其加工方式已有相當多文獻探討[1-13],其在切削時因材料特性變化而無法維持在最佳的切削狀況,並造成加工件的品質與精度改變,此種肇因於材料特性的變化往往表現在切削力的變動,因此本文承前期研究[14],透過實際切削量測,探討Inconel 718 在銑削、車削及超音波輔助鑽削(Ultrasonic Vibration-Assisted Drilling; UVAD)不同切削模式下之切削力表現,作為提升其切削性能之依據。

切削力分析

切削力與材料性質、切刃與切屑幾何關係相關,對於非均勻之材料或變動的切屑幾何,切削力可視為切削瞬間局部切削刃之切削負載的總合 [2]。例如固定進給之連續車削與鑽削的切屑厚度一般為定值,但銑削時切屑厚度不固定,使得切削力呈現變化,此一特點與車削及鑽削的情形有所不同。
金屬切削之切線切削力Ft與材料之比切削力(specific cutting force,亦稱為切削力係數) ks以及切削深度ap與切屑厚度h成正比,可表示如式(1)。
對車削而言,ap為徑向切深而h為每轉進給,至於銑削加工時,ap為軸向切深,而h因銑削為不連續切刃,其值為每刃進給 fZ 與切削刃之旋轉角度ϕ之函數,表示如式(2)。
銑削之徑向切削力Fr則可表示如式(3),其中kr為切線切削力與徑向切削力之比,Tlusty&MacNeil[2]曾根據實驗提出徑向切削力理論式中的kr值約為0.3。
旋轉刀軸之銑削常將量測切削力之動力計架設於工件床台,故所量得的力分別為X與Y方向的切削分力,此分力隨切削刃旋轉而變化,表示如式(4)(5)。
 Inconel因熱傳效果不佳,常使用在航太產業耐熱部位,也為了導氣等需求進行鑽削加工,但也因為此特性,加工時材料性因溫升快速變化,難以直接鑽削高深寬比的孔,隨著隈部淳一郎[15]在1979年提出了超音波輔助切削之加工法後,後續應用在各種切削加工皆顯示在適當條件下可也校改善切削效果[16-18]。應用鑽削時,鑽頭會由原來連續切削轉換為振動輔助切削時的脈衝式切削;Liao et al[19]對Inconel 718進行UVAD實驗結果發現,增加超音波振動頻率對鑽削性能幾乎無幫助,相較之下施加較小之振動時,鑽頭壽命提高,使用UVAD不僅可以大量降低加工時間,亦可增加刀具之壽命,其他相關的研究也顯示,使用UVAD可有效降低切削力、摩擦力、軸向推力、BUE、延長刀具壽命及改善表面粗糙度與減少加工時間[20-23]。...更多內容,請見《機械新刊》雜誌。 
 

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