CN114442573A - 一种适用于1j50软磁合金导磁体的高效铣削加工工艺 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及航空工程制造技术领域，具体为一种适用于1J50软磁合金导磁体的高效铣削加工工艺，包括以下步骤：利用TWS切削仿真软件确定适合1J50软磁合金导磁体的刀具结构和几何角度参数以进行刀具结构优化设计；采用CAM软件对结构优化刀具的加工1J50软磁合金导磁体的走刀轨迹进行设计和模拟，确定合适的刀路轨迹；采用多目标化方法和PM切削力优化控制方法相结合对加工参数进行优化；采用超临界二氧化碳低温冷却润滑技术并以优化后的刀具结构和加工参数对1J50软磁合金导磁体进行数控铣削粗加工和数控铣削精加工。本发明解决了1J50导磁体刀具磨损大、加工效率低等问题，并且通过切削参数优化，显著提高了加工稳定性，适用于软磁铁镍基合金等材料。
Description
技术领域
本发明涉及航空工程制造技术领域，具体为一种适用于1J50软磁合金导磁体的高效铣削加工工艺。
背景技术
1J50软磁材料属于中饱和磁感应强度、中磁导率合金，冷硬态的1J50延伸率只有3％、屈服强度为685MPa、抗拉强度为785MPa、硬度为170HBS、屈强比高达0.87。软磁材料的总体特点是有对于外加磁场的高灵敏性反应，磁导率很高。软磁合金因具有优良的抗磁干扰能力，是用于制备高性能磁屏蔽罩的主要材料，在电磁屏蔽的设备中，磁屏蔽罩是目前能防止电磁泄漏(造成电磁辐射污染)及电磁干扰的重要手段之一。
现有的1J50导磁体加工方法没有涉及到加工参数选择与优化部分且没有提出完整的优化加工工艺流程。同时，1J50软磁材料有对于外加磁场的高灵敏性反应，零件加工后导磁性能要求较高，此外，导磁体结构较为复杂，装配精度较高，在加工过程中要尽量避免加工内应力过大，刀具材料和1J50材料亲和性问题，进而影响磁性指标。在满足导磁性能要求和结构完整性前提下，如何延长刀具寿命、提高加工效率成为目前亟待解决的问题，因此需要对刀具与加工对象匹配性、冷却润滑方式、加工路径和加工参数优化开展研究。
发明内容
针对现有技术存在的不足，本发明提出了一种适用于1J50软磁合金导磁体的高效铣削加工工艺，使得能够在保证加工质量和满足磁性能要求的同时提高加工效率，达到提升该类型难加工材料切削加工技术的国产化水平的目的。
本发明所要解决的技术问题采用以下技术方案来实现：
一种适用于1J50软磁合金导磁体的高效铣削加工工艺，包括以下步骤：
(一)利用TWS切削仿真软件通过分析刀具材质、刀具结构、刀具角度与加工对象之间的匹配关系，确定适合1J50软磁合金导磁体的刀具结构和几何角度参数以进行刀具结构优化设计；
(二)采用CAM软件对结构优化刀具的加工1J50软磁合金导磁体的走刀轨迹进行设计和模拟，确定合适的刀路轨迹；
(三)采用多目标化方法和PM切削力优化控制方法相结合对加工参数进行优化，包括：粗加工中基于切削力和切削温度约束的动态参数优化、精加工中基于切削力-热-振动约束的动态参数优化；
(四)采用超临界二氧化碳低温冷却润滑技术并以优化后的刀具结构和加工参数对1J50软磁合金导磁体进行数控铣削粗加工和数控铣削精加工。
优选地，所述步骤(一)中的匹配关系为：在TWS切削仿真软件中定义工件和刀具材料信息，通过设计正交参数进行1J50软磁合金导磁体切削加工模拟，获得适合1J50软磁合金导磁体的刀具材质、刀具结构和几何角度参数。
优选地，所述步骤(三)中粗加工以加工效率为优化目标。
优选地，所述步骤(三)中精加工以加工表面质量为优化目标。
优选地，所述步骤(三)中优化粗加工参数包括三个约束条件：
(a)材料去除率为最大值；
(b)限制刀具切入工件的进给速度Fi和切出工件的进给速度Fo；
(c)限制需要优化的切削力和切削温度的最大值，并使加工过程中切削力和切削温度始终低于该值。
优选地，所述(a)中材料去除率的表达式为：
其中，n为主轴转速，r/min；fz为每齿进给量，mm/z；ap为切削深度，mm；ae为径向切削宽度，mm；z为刀具齿数；d为刀具直径，mm；vc为切削速度，m/min。
优选地，所述步骤(三)中优化精加工参数包括三个约束条件：
(A)表面粗糙度Ra为最小值；
(B)限制刀具切入工件的进给速度Fi和切出工件的进给速度Fo；
(C)规定切削力和切削温度的上下限值，并使加工过程中的切削力和切削温度始终处于这一范围。
优选地，所述步骤(四)中粗加工采用高温陶瓷刀具高速加工。
优选地，所述步骤(四)中精加工采用耐热涂层硬质合金刀具加工。
本发明的有益效果是：
与现有技术相比，本发明涉及到的加工刀具和加工对象之间匹配性、刀具结构优化和加工参数优化，强调刀具走刀路径和数控加工方法的同时提出了完整的加工工艺流程。本发明解决了1J50导磁体刀具磨损大、加工效率低等问题，并且通过切削参数优化，显著提高了加工稳定性，适用于软磁铁镍基合金等材料。
附图说明
下面结合附图和实施例对本发明进一步说明：
图1为本发明的流程示意图。
具体实施方式
为了使本发明实现的技术手段、创作特征、达成目的与功效易于明白了解，下面结合附图以及实施例对本发明进一步阐述。
如图1所示，一种适用于1J50软磁合金导磁体的高效铣削加工工艺，包括以下步骤：
(一)利用TWS切削仿真软件通过分析刀具材质、刀具结构、刀具角度与加工对象之间的匹配关系，确定适合1J50软磁合金导磁体的刀具结构和几何角度参数以进行刀具结构优化设计。
本发明基于1J50材料特性和切削刀具材料匹配性，进行刀具结构优化及刀具路径规划，确定合适的刀具结构和走刀轨迹，然后对铣削过程进行加工参数优化，最后以优化参数对1J50导磁体进行数控铣削加工。因此，所述1J50材料特性和切削刀具匹配性是指：1J50材料属于中饱和磁感应强度、中磁导率的铁镍基软磁合金，具有热导率低、散热差、加工硬化倾向严重、易黏刀等特性，因此刀具需选择耐高温、与铁化学惰性大(亲和性差)、高红硬性(耐高温硬度和强度)、不影响导磁性能的耐热涂层硬质合金、高温陶瓷刀具，而不选高碳刀具(碳与铁化学亲和性大，高温发生化学反应)。
所述步骤(一)中研究刀具材质、刀具结构以及刀具角度与加工对象之间匹配关系，是指在TWS切削仿真软件中定义工件和刀具材料信息，比如密度、弹性模量、强度、韧性、热导率、热膨胀系数；定义不同槽型、刃口钝圆、几何角度的刀具，通过设计正交参数进行1J50软磁合金切削加工模拟，获得适合1J50导磁体加工的刀具材质、结构和几何角度参数。
(二)采用CAM软件对结构优化刀具的加工1J50软磁合金导磁体的走刀轨迹进行设计和模拟，确定合适的刀路轨迹。
具体的，所述步骤(二)中具体的采用UG/CAM软件进行数控编程，对走刀轨迹进行设计，然后采用优化结构刀具对1J50导磁体模型进行模拟加工。
(三)采用多目标化方法和PM切削力优化控制方法相结合对加工参数进行优化，包括：粗加工中基于切削力和切削温度约束的动态参数优化、精加工中基于切削力-热-振动约束的动态参数优化。
所述步骤(三)中具体的粗加工主要以加工效率为优化目标，对切削过程施加有三个约束条件：
(a)材料去除率为最大值。对于铣削加工，加工效率指的就是材料在单位时间内的去除量，材料去除率MRR，单位为mm3/min。材料去除率表达式为：
其中，n为主轴转速，r/min；fz为每齿进给量，mm/z；ap为切削深度，mm；ae为径向切削宽度，mm；z为刀具齿数；d为刀具直径，mm；vc为切削速度，m/min。
(b)限制刀具切入工件的进给速度Fi和切出工件的进给速度Fo；
(c)限制需要优化的切削力和切削温度的最大值，并使加工过程中切削力和切削温度始终低于该值。
所述步骤(三)中具体的精加工以加工表面粗糙度为优化目标，对切削过程施加有三个约束条件：
(A)表面粗糙度Ra为最小值；
(B)限制刀具切入工件的进给速度Fi和切出工件的进给速度Fo；
(C)规定切削力和切削温度的上下限值，并使加工过程中的切削力和切削温度始终处于这一范围。
(四)采用超临界二氧化碳低温冷却润滑技术并以优化后的刀具结构和加工参数对1J50软磁合金导磁体进行数控铣削粗加工和数控铣削精加工。
具体的，所述步骤(四)中超临界二氧化碳低温冷却润滑技术一方面微量润滑液可减小刀具与工件摩擦，进而降低切削力，减少摩擦生热，延缓刀具磨损，另一方面，超临界二氧化碳低温冷却，高速高压强制对流换热效应，可快速加快切削散热，可大幅度降低切削温度。进而改善高温合金可加工性，延缓刀具磨损。
粗加工时采用高温陶瓷刀具高速加工。陶瓷刀具广泛应用于高速切削、干切削、硬切削难加工材料的切削，高温性能好，与铁化学惰性大，化学稳定性好，可实现“以切代磨”工艺，最佳切削速度是硬质合金刀具的2～10倍。切削铁镍合金的陶瓷刀具材料，一般多选用高温性能较好的S类材料的刀具，比如材质为KS6030、KS6040陶瓷刀具。
精加工时采用耐热涂层硬质合金刀具加工。切削铁镍基合金的硬质合金刀具材料，一般多选用高温性能较好的S类硬质合金刀具。细晶粒、超细晶粒硬质合金的综合性能更佳，是铁镍基合金切削加工刀具的首选材料。硬质合金刀具可经PVD涂层或CVD涂层，提高刀具切削性能。适宜的PVD涂层有(Ti,Al,Cr)N、(Al,Ti)N、TiN等；适宜的CVD涂层有TiCN、TiCN+Al2O3+TiN，TiCrN+Al2O3+TiN等耐热涂层，此类涂层高温性能较好，化学稳定性好，不易与铁发生化学反应。加工时，尽量采用小切深、小走刀，避免加工内应力过大，影响磁性指标。装夹时，夹紧力尽量小，避免夹伤零件。
以上显示和描述了本发明的基本原理、主要特征和本发明的优点。本行业的技术人员应该了解，本发明不受上述实施例的限制，上述实施例和说明书中描述的只是本发明的原理，在不脱离本发明精神和范围的前提下，本发明还会有各种变化和改进，这些变化和改进都落入要求保护的本发明范围内。本发明要求保护范围由所附的权利要求书及其等效物界定。
Claims (9)
1.一种适用于1J50软磁合金导磁体的高效铣削加工工艺，其特征在于：包括以下步骤：
(一)利用TWS切削仿真软件通过分析刀具材质、刀具结构、刀具角度与加工对象之间的匹配关系，确定适合1J50软磁合金导磁体的刀具结构和几何角度参数以进行刀具结构优化设计；
(二)采用CAM软件对结构优化刀具的加工1J50软磁合金导磁体的走刀轨迹进行设计和模拟，确定合适的刀路轨迹；
(三)采用多目标化方法和PM切削力优化控制方法相结合对加工参数进行优化，包括：粗加工中基于切削力和切削温度约束的动态参数优化、精加工中基于切削力-热-振动约束的动态参数优化；
(四)采用超临界二氧化碳低温冷却润滑技术并以优化后的刀具结构和加工参数对1J50软磁合金导磁体进行数控铣削粗加工和数控铣削精加工。
2.根据权利要求1所述的一种适用于1J50软磁合金导磁体的高效铣削加工工艺，其特征在于：所述步骤(一)中的匹配关系为：在TWS切削仿真软件中定义工件和刀具材料信息，通过设计正交参数进行1J50软磁合金导磁体切削加工模拟，获得适合1J50软磁合金导磁体的刀具材质、刀具结构和几何角度参数。
3.根据权利要求1所述的一种适用于1J50软磁合金导磁体的高效铣削加工工艺，其特征在于：所述步骤(三)中粗加工以加工效率为优化目标。
4.根据权利要求1所述的一种适用于1J50软磁合金导磁体的高效铣削加工工艺，其特征在于：所述步骤(三)中精加工以加工表面质量为优化目标。
5.根据权利要求1所述的一种适用于1J50软磁合金导磁体的高效铣削加工工艺，其特征在于：所述步骤(三)中优化粗加工参数包括三个约束条件：
(a)材料去除率为最大值；
(b)限制刀具切入工件的进给速度Fi和切出工件的进给速度Fo；
(c)限制需要优化的切削力和切削温度的最大值，并使加工过程中切削力和切削温度始终低于该值。
6.根据权利要求5所述的一种适用于1J50软磁合金导磁体的高效铣削加工工艺，其特征在于：所述(a)中材料去除率的表达式为：
其中，n为主轴转速，r/min；fz为每齿进给量，mm/z；ap为切削深度，mm；ae为径向切削宽度，mm；z为刀具齿数；d为刀具直径，mm；vc为切削速度，m/min。
7.根据权利要求1所述的一种适用于1J50软磁合金导磁体的高效铣削加工工艺，其特征在于：所述步骤(三)中优化精加工参数包括三个约束条件：
(A)表面粗糙度Ra为最小值；
(B)限制刀具切入工件的进给速度Fi和切出工件的进给速度Fo；
(C)规定切削力和切削温度的上下限值，并使加工过程中的切削力和切削温度始终处于这一范围。
8.根据权利要求1所述的一种适用于1J50软磁合金导磁体的高效铣削加工工艺，其特征在于：所述步骤(四)中粗加工采用高温陶瓷刀具高速加工。
9.根据权利要求1所述的一种适用于1J50软磁合金导磁体的高效铣削加工工艺，其特征在于：所述步骤(四)中精加工采用耐热涂层硬质合金刀具加工。
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