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Inconel切削加工硬化與刀具狀態監測技術開發

摘要"

本研究針對航太產業之高鎳基合金Inconel 718,以CPS及大數據方法建立加工硬化之切削力模式及開發線上即時刀具磨耗偵測系統二項技術。加工硬化特性之切削力模式研究結果顯示,銑削Inconel 718之比切削力隨切削條件及切屑幾何形貌而變化,其值隨著主軸轉速的提升而下降,而加工硬化效果則隨主軸轉速提升而提高;線上即時刀具磨耗偵測系統以主軸雙向振動訊號之特徵,建立Inconel 718加工刀具磨耗偵測系統。

關鍵詞:Inconel 718、切削力、加工硬化、主軸振動、聲射訊號

前言

鎳基合金等因具有高抗蝕性或高比強度而廣為應用,除了國防工業的需求之外,民生工業也廣為應用,使用在大型輕量化以及抗蝕工件;最典型的應用包括航太產業、船舶產業、海水淡化等載具與管閥件等應用。鎳基合金在高溫下擁有強度高、良好的耐疲勞和耐腐蝕等特性,因此廣泛被使用在高溫、高腐蝕性的環境下,也是航太零組件不可或缺的材料,其中代表性的材料為Inconel 718,其在高溫下更是擁有強度高、熱穩定性高和抗熱疲勞等特點,主要應用於航空發動機的渦輪葉片、轉子等零組件。而隨著全球航空產業的蓬勃發展,各類航空飛行器的需求快速增加,航太零組件的生產和加工更顯重要。
鎳基合金因為其材料熱傳導率較低的關係,加工時會使材料出現加工硬化造成切屑流動性差,切屑在切刃堆積成為刃口積屑緣(BUE),反而造成其加工上的困難,使得刀具磨耗大、切削扭矩與馬力快速提高、切削主軸負荷變化大,而機台的運動也因切削負荷的變動造成精度的變動,加上大型工件的加工移除量甚大,而航太的應用因輕量化與強度的考量下,往往加工成薄型工件,更造成加工的困難,機具設備損耗快,機台的的動態特性要求也因而提高。以圖1所示的航太產業引擎結構件與渦輪葉片為例,該產業採用塊材胚料進行大量移除之加工,工件加工材料移除量高達90%,故工具機必須長時間處於高負荷之狀態,該材料隨著加工過程因熱的累積與加工硬化的特性,嚴重的刀具磨耗造成加工效率與品質之降低,在航太產業大移除量與長時間加工時間的特性,更一步提升了刀具磨耗對產品製造過程之困難度;另一方面,刀具之壽命一般有相當大的變異,造成保守的刀具使用策略,也嚴重的降低加工之效率,故鎳基合金之切削力模型建立與預測以及智能化刀具狀態監測系統的開發與應用,將是提升切削效率、加工品質與台灣航太加工產業競爭力,而這也是國內航太加工業者希望可以克服的課題。
鎳基合金在實際切削時常因加工硬化等特性而無法維持在最佳的切削狀況,使成品的品質與精度發生改變,此往往肇因於切削力變動與切削刀具及工件承受此變動切削力之反應所致,如何能在實際加工之前就可以預估切削力的大小,並掌握加工後零組件表面加工硬化的特性乃是提升切削性能的一大關鍵。
而隨著製造智能化與自動化之發展,除了加工製程與生產設備整合之外,製程狀況與設備健康監測也是目前先進製造技術發展的一大趨勢,歐盟經過研究分析後,提出Factories of the Future,特別提及未來製造系統同時考量永續發展以及先進製造的幾個重要的基本技術,包括先進製程技術、先進製造之機電技術、ICT技術、模型建構與模擬及預測技術,此發展與我國政府規劃發展之智慧製造方向一致[1]。

文獻探討
    
Inconel 718具有沃斯田鐵型的基地,為了提高其耐熱性質,添加了大量的合金元素,這些元素會形成各種二次相,提升了鎳基合金之高溫強度,如圖2所示,其特色包含在高溫下可維持高強度,具有優異的抗潛變、抗疲勞等機械性質,以及擁有抗氧化和耐蝕特性與良好的塑性和銲接性,其適用的工作環境包含航太飛行引擎燃氣室的高溫高壓部份、核能、石油、海洋工業之結構件,耐蝕管線等各種嚴苛的環境,是合金中應用最廣強度較高的材料。但因合金成分很容易析出堅硬的二次相,造成加工時嚴重的加工硬化,因此造成鎳基合金加工的困難[2]。...更多內容,請見《機械新刊》雜誌

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