CN116944805A - 一种多弧离子钛靶材的加工工艺方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种多弧离子钛靶材的加工工艺方法，属于靶材产品深加工技术领域。通过采用锯断或金属碰断机下料‑‑中频感应加热‑‑热模锻成型‑‑数控机床精车的工艺步骤，实现了所有规格的成品统一用一种棒材下料，采用热模锻成型，通过模具换芯，实现对不同型号成品的热模锻加工，余量小，减少材料的浪费，降低成本，大大提高工作效率，并保证了产品质量；并且每一工序中工件的加工因素都不受工件单体和原料性能的影响，工件在各工序之间的转移完全可以实现和机器手或机器人来对接，实现了标准化生产和自动化生产，降低了人工劳动强度，节省了人工，降低人工成本。

Description

一种多弧离子钛靶材的加工工艺方法

技术领域

本发明属于靶材产品深加工技术领域，具体涉及一种多弧离子钛靶材的加工工艺方法。

背景技术

多弧离子钛靶材，为真空镀膜行业的基础靶材，传统通用的加工工序为：原棒下料—普通车床粗车—数控机床精车。现有生产工艺存在以下问题：

首先，规格型号较多，库存压力大，相应的原料占用资金成本高。

钛靶材为所有真空镀膜靶材中的基础靶材，现有的成品规格有多种，常用规格为100*40mm、98*40mm、100*45mm、95*40mm、95*45mm、105*16mm、128*40、63*32mm等等。例如：φ105mm规格的成品，需用φ110mm的棒材制作；φ100mm规格的成品需用φ103mm的棒材制作；φ160mm规格的成品需用φ168mm的棒材制作。因此为了满足客户的交货要求，需要原料库中的型号及规格较多，这对于库存管理及库存原料的资金占用提出了较高的要求。

其次，由于靶材对于材质成份及组织晶料度有较高要求，数控精车加工过程中不允许对靶材表面进行焊接修补加工，但现有钛棒的加工工艺都是通过大吨位液压机开方，小吨位快煅机或空气锤通过自由锻加工而成，在上述加工过程中容易产生微裂纹以及棒材椭圆度不高的问题，用传统工艺生产靶材，基本上有8％左右的成品质检不合格比例，这些不合格产品，只能通过降级处理，这样增加了企业的生产成本，也造成原料的浪费。

再次，原有工艺中，针对纯钛的性能及为了节省原材料的目的，基本上同类企业都是采用线切割(快走丝)下料→普通车床粗车加工→数控精加工，在传统生产中各工序之间由于钛加工余量大、工业纯钛难断屑，棒材椭圆度不高等等这些因素的叠加，导致机械手或机器人这些自动化加工手段在钛靶材生产中难以实现。

基于上述问题，本申请提出一种新的加工工艺方法以解决钛靶材加工成本高、加工效率低、无法实现机器人加工的问题。

发明内容

本发明解决的技术问题：提供一种多弧离子钛靶材的加工工艺方法，本发明针对市场上多弧离子镀膜行业常用规格100*40mm、98*40mm、100*45mm、95*40mm、95*45mm、105*16mm、128*40、63*32mm成品的加工，解决不同型号靶材产品由一种棒料加工而成，从而减少原料备货，提高产品周转率，提高加工效率，减少加工废料、实现机器人自动化生产的问题。

为达到上述目的，本发明采用的技术方案：

一种多弧离子钛靶材的加工工艺方法，包括以下步骤：

(1)下料：不同规格钛靶(常用规格为100*40mm、98*40mm、100*45mm、95*40mm、95*45mm、105*16mm、63*32mm)生产统一选用同一种规格的钛棒下料，根据钛靶成品的重量加上车床切削余量，计算每一种规格成品钛靶所需的下料长度，然后用锯床或金属碰断机根据计算长度将靶材棒料制成相应的短棒料；

(2)加热：通过自动提升机将短棒料自动转移到中频炉感应装置中，通过中频炉感应装置对短棒料进行加热，由于是在线加热，加热的频率及温度都要做相应的控制；

(3)热模锻：采用机械臂将加热后的短棒料自动转至模锻机上，模锻机上安装有热模锻模具，热模锻模具的上模与下模形成闭合模腔，闭合模腔外形为钛靶材成品形状，加热后的靶材棒料在热锻模腔中通过上模加压成锻件，形成的毛胚锻件形状最大限度接近成品尺寸，根据实际实验，现最大外径可达到预留0.5mm的加工余量的效果；模具上模的下压力量、速度、压下的行程及热成型后的顶料频率都可通过模锻机上的PLC系统调节；

(4)保温处理：将热锻后的工件放在保温箱内随炉冷却，以达到减少氧化，消除应力的作用，冷却时间10—12小时；放置的动作是通过耐高温输送导链运输；

(5)精加工：采用两个三轴机器人交替动作将锻件自动转运至数控机床上，进行精车加工去除余量后，即形成成品规格尺寸。由于模煅成形后，加工余量很少，在数控加工过程中高压水枪配合机加刀具断屑处理。

上述步骤(1)中，下料时，热模煅的胚料棒材统一选用φ65mm的棒料。

上述步骤(1)中，采用锯床锯断时，所述锯床采用卧式锯床双金属锯条；采用金属碰断机磕断时，所述金属碰断机的碰断力为500吨。在实际工作过程中，出于效率及成本控制的考虑，绝大部份为金属碰断机下料，常用的规格中只用针对105*16mm的靶材，由于下料的长度小于金属碰断机刀口的厚度，所以采用锯床自动下料。

上述步骤(2)中，所述中频炉感应装置对短棒料的加热温度是800—850摄氏度，因为采用在线加热的方式，在加热的过程中可通过对感应线圈功率的调节及棒料在炉腔内感应时间的长短达到调节工作频率的目的，以和主设备工作频率相适应为原则。

上述步骤(3)中，所述热模锻时的温度为800—850摄氏度，模锻压力根据产品在200T—630T的范围内调节。

本发明与现有技术相比的优点：

1、在本方案中出于效率及成本控制的考虑，在下料这个环节大部份为金属碰断机下料，此为无损下料方式，替代了原来的线切割下料方式，原料浪费小，加工效率高；虽然线切割下料有精度高，断面垂直度好的优点，但由于本方案后续热模煅工序的补充，金属碰断机下料断面的垂直度差的问题得到了修正，对于最终产品的形成没有造成任何负面的影响，但效率提高了1200倍左右，成本大大降低，以生产100*40mm的靶材为例，正常用直径103mm的棒材线切割下料，每一块下料需要60分钟---90分钟时间，替代为金属碰断机后单支下料时间为3秒，在不考虑时间成本的情况下，线切割还有0.2mm左右的锯缝损耗，况且有冷却液及钼丝的消耗需求；

2、本方案中将所有规格的成品统一用一种棒材下料，根据不同成品件的重量计算好下料长度，每一种规格满足重量要求即可，然后采用不同规格对应的模具进行热模锻，通过模具换芯，实现对不同型号成品的热模锻工序，达到最大限度接近成品的尺寸，减少材料的浪费，降低成本。以生产靶材行业最常用的100*40mm的靶材为例，原有工艺以直径103*41mm为加工原料，需要1.54KG的材料，采用热煅工艺后需1.38KG,每一块节省0.16KG的原料，从根本上达到了节能的目标；

3、本方案中，由于采用了中频感应加热--热模锻成型的工艺，对于原材料组织的晶粒细化起到了辅助的作用，模锻的过程也是对材料进行墩拔热处理的工艺过程，经过反复实验，同样的棒材经过模煅取样化验，在显微镜的晶粒对比实验中大大优于没有模煅的棒材；

4、在传统工艺生产中各工序之间由于钛加工余量大、工业纯钛难断屑，棒材椭圆度不高这些因素的叠加，导致机械手或机器人自动化在钛靶材生产中难以实现。但通过本方案模煅加工后，外形尺寸误差控制在0.5—1mm的范围内，这样方便机器人关节手的重复定位和抓取，同时由于加工余量小，纯钛难断屑的难题也大大弱化，现阶段高压水枪配合内冷却机加刀的方法，基本上解决了缠屑的问题。自动化机器人的实现大大降低了人工劳动强度，节省了人工，降低人工成本。

附图说明

图1为本发明的工艺流程图；

图2为本发明中热模锻模具的结构示意图。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

请参阅图1-2，详述本发明的实施例。

一种多弧离子钛靶材的加工工艺方法，参见图1所示，包括以下步骤：

(1)下料：钛靶材现有常用规格为100*40mm、98*40mm、100*45mm、95*40mm、95*45mm、105*16mm、128*40、63*32mm等等，不同规格成品生产统一选用同一种规格的钛棒下料，根据每一种钛靶成品的重量加上预留的切削余量，计算每一种规格所需的下料长度。对于本实施例中φ95mm、φ98mm、φ100mm、φ105mm、φ128mm等的成品的加工，优选的，钛棒统一选用φ65mm的钛棒料。采用锯床或金属碰断机根据计算长度将钛棒制成相应的短棒料，本方案中出于效率及成本控制的考虑，绝大部分为金属碰断机下料，替代了原来的线切割下料方式，原料浪费小，加工效率高。

(2)加热：通过自动提升机将短棒料自动转移到中频炉感应加热装置中，通过中频炉感应装置对短棒料进行加热，由于是在线加热，加热温度以出炉腔温度在820左右为控制标准，加热的功率为230KW,依次推料进炉加热的频率为15秒，这样设定的频率是以模煅压力机的工作频率及操作工人不是很紧张为原则设立的，实际中以模煅压力机的工作频率与加热频率相协调为原则，没有统一的标准。

本实施例中，中频感应加热装置包括提升机、频率可调推料机、中间输送机和中频感应炉；提升机输送的工件通过中间输送机输送至中频感应炉进口处，通过炉前推送机构(一种根据时间设定频率的气动推送装置)推入中频感应炉腔内，在中频感应炉中加热后通过炉后输送机输送工件输出到滑道。该结构实现中频感应装置的自动化输送工作。

(3)热模锻：采用机械臂将加热后的短棒料自动转至电动螺旋模锻机上，模锻机中装有与钛靶材成品外形规格对应的热模锻模具，热模锻模具中的上模与下模形成闭合模腔，闭合模腔外形为靶材成品形状，加热后的钛棒料在热锻模腔中通过上模加压成锻件，形成的毛胚锻件形状最大限度接近成品尺寸，根据实际实验，现最大外径可达到预留0.5mm的加工余量的效果；模具上模的下压力量、速度、压下的行程及热成型后的顶料频率都可通过机器上的西门子PLC系统调节。

优选的，所述热模锻时的温度为800—850摄氏度，模锻压力是630T，当然这个压力根据工件的大小要做不同的调整，以冲压后工件楞角饱满为原则。

本实施例中，热模锻模具安装在电动螺旋压力机上，用于对靶材实现一次成型加工。参见图2所示，该热模锻模具包括下模架1和上模架11，所述下模架1上表面上固定有下模固定座2，所述下模固定座2上部固定有下模固定外环3，所述下模固定外环3中心通过快速拆装更换结构安装有用于靶材形成的下凹模5，所述下凹模5内腔下部设有顶块9；所述上模架11下表面上固定有上模固定座12，所述上模固定座12下部固定有用于靶材形成的上凸模13，所述上凸模13和下凹模5上下对应同轴。

其中，所述快速拆装更换结构包括下模压环6，所述下凹模5置于下模固定外环3内腔中间，所述下模压环6同轴套在下凹模5外部，所述下模压环6与下模固定外环3可拆卸固定连接，所述下模压环6通过圆锥面结构8将下凹模5压紧，所述下凹模5外表面为直径上小下大的外圆锥面，相应的所述下模压环6内表面为直径上小下大的内圆锥面。通过下模压环6和下凹模5之间的圆锥面结构压紧固定，从而能够实现快速的更换模具，便于不同规格的下凹模之间的灵活快速更换，结构及操作简单，大大节约了更换时间，提高工作效率。

优选的，所述下模压环6通过圆周均布的固定螺钉Ⅱ7与下模固定外环3实现可拆卸固定连接，固定简单可靠，拆卸方便。所述下模固定外环3通过圆周均布的固定螺钉Ⅰ4与下模固定座2固定连接，固定方式简单，拆卸方便。

其中，所述下模架1和上模架11之间设有起上下移动导向作用的导向结构，具体的，所述导向结构包括导柱14和导套15，所述导柱14竖直固定在下模架1上表面上，所述导套15固定在上模架11下表面上，所述导套15和导柱14向下同轴对应。所述下模架1和上模架11之间设有限位柱16，所述限位柱16竖直固定在下模架1上表面上，所述限位柱16上部设有活动连接且用于改变限位柱16高度的垫块17。限位柱16能够对上模的下降距离进行限位，闭模的瞬间上模惯性很大，限位柱能够给上模一个反作用力，防止感应限位器件失灵而将模具打坏。

本步骤中，靶材加热后，热模锻在闭合模腔中可以一次冲压成型，加工效率高，并且不会对材料造成浪费。

该步骤中，由于常用靶材型号的产品可以通过模具热模锻一次冲压成型，不会对材料造成浪费，将所有规格的成品统一用一种棒材下料，根据不同规格成品的重量计算好下料长度，每一种规格满足重量要求即可，然后采用热模锻完成加工；通过模具换芯，可方便实现对不同型号的热模锻工序。

(4)保温处理：将热锻后的工件放在保温箱内随炉冷却，以达到减少氧化，消除应力的作用，冷却时间10—12小时；由于数量多，冲压后的工件通过输送导链在线输送到保温仓内。

(5)精加工：采用三轴机器人关节手将锻件从工作料架上自动抓取至数控机床上，进行精车加工去余量后，即形成钛靶成品。

本加工方法采用了金属碰断下料--中频感应加热--热模锻成型--数控机床精车的工艺步骤，每一工序中工件的加工因素都不受工件单体和原料性能的影响，工件在各工序之间的转移完全可以实现机器手或机器人来对接，实现了标准化生产和自动化生产，降低了人工劳动强度，节省了人工，降低人工成本。

本加工方法不仅适用于钛靶的生产，而且对锆靶、镍靶也同样适用，只是加热的温度和频率及模锻的压力根据材质不同或大小不同做调整即可。

对于本领域技术人员而言，显然本发明不限于上述示范性实施例的细节，而且在不背离本发明的精神或基本特征的情况下，能够以其他的具体形式实现本发明。因此，无论从哪一点来看，均应将实施例看作是示范性的，而且是非限制性的，本发明的范围由所附权利要求而不是上述说明限定，因此旨在将落在权利要求的等同要件的含义和范围内的所有变化囊括在本发明内。不应将权利要求中的任何附图标记视为限制所涉及的权利要求。

此外，应当理解，虽然本说明书按照实施方式加以描述，但并非每个实施方式仅包含一个独立的技术方案，说明书的这种叙述方式仅仅是为清楚起见，本领域技术人员应当将说明书作为一个整体，各实施例中的技术方案也可以经适当组合，形成本领域技术人员可以理解的其他实施方式。

Claims (5)

1.一种多弧离子钛靶材的加工工艺方法，其特征在于：包括以下步骤：

(1)下料：不同规格钛靶材生产时统一选用同一种规格的钛棒下料，根据钛靶成品的重量加上车床切削余量，计算出每一种规格成品钛靶所需的下料长度，然后用锯床或金属碰断机根据计算长度将钛棒制成相应的短棒料；

(2)加热：通过自动提升机将短棒料自动转移到中频炉感应装置中，通过中频炉感应装置对短棒料进行加热；

(3)热模锻：采用机械臂将加热后的短棒料自动转至模锻机上，模锻机上安装有热模锻模具，热模锻模具的上模与下模形成闭合模腔，闭合模腔外形为钛靶成品形状，加热后的钛棒料在热锻模腔中通过上模加压形成锻件，形成的毛胚锻件形状最大限度接近成品尺寸，最大外径达到预留0.5mm的加工余量；模具上模的下压力量、速度、压下的行程及热成型后的顶料频率都通过模锻机上的PLC系统调节；

(4)保温处理：将热锻后的工件放在保温箱内随炉冷却，以达到减少氧化，消除应力的作用，冷却时间10—12小时；

(5)精加工：采用三轴机器人将锻件自动转运至数控机床上，进行精车加工去除余量后，即形成成品规格尺寸。

2.根据权利要求1所述的一种多弧离子钛靶材的加工工艺方法，其特征在于：上述步骤(1)中，热模煅的胚料棒材统一选用φ65mm的棒料。

3.根据权利要求1所述的一种多弧离子钛靶材的加工工艺方法，其特征在于：上述步骤(1)中，采用锯床锯断时，所述锯床采用卧式锯床双金属锯条；采用金属碰断机碰断时，所述金属碰断机的碰断力为500吨。

4.根据权利要求1所述的一种多弧离子钛靶材的加工工艺方法，其特征在于：上述步骤(2)中，所述中频炉感应装置对短棒料的加热温度是800—850摄氏度，为适应工业化量产的需要，中频感应加热是采用通过式在线加热的方式，在加热的过程中通过对感应线圈功率的调节及棒料在炉腔内感应时间的长短达到调节工作频率的目的，以和主设备频率相适应为原则。

5.根据权利要求1所述的一种多弧离子钛靶材的加工工艺方法，其特征在于：上述步骤(3)中，所述热模锻时的温度为800—850摄氏度，模锻压力根据产品在200T—630T的范围内调节。