磁控濺射鈦靶靶面磨削加工工藝

1、引言

隨著人們對鈦材性能的認識，鈦及鈦合金產(chǎn)品在實際應用中愈來愈廣泛。近幾年作者因從事機械研制與加工工作，被要求接受大量真空磁控濺射鍍膜用鈦靶靶面精加工任務(wù)，這種濺射鍍膜用鈦靶靶面的平面度、粗糙度和厚度公差要求非常嚴格，國內(nèi)尚無大批量商業(yè)產(chǎn)品供應，主要依靠進口，價格昂貴。本研究針對鈦導熱性差、退火態(tài)硬度低、塑性與韌性好、剛性差、化學活性高及無磁性等特點，對比選擇了磨削鈦濺射靶靶平面的主要工具砂輪，此外，對磨削參數(shù)進行了對比試驗，以確定鈦及鈦合金最佳的磨削工藝，為磁控濺射用鈦靶材的規(guī)模化生產(chǎn)提供可靠的依據(jù)。

2、磨削濺射鍍膜用鈦靶的特點

磨削真空磁控濺射鍍膜的鈦靶，有以下的特點和技術(shù)上的難度。

1）磨削工件是平面(圖1)，凡平面磨削砂輪和工件的接觸面積大，磨削時發(fā)熱量大，尤其是鈦的導熱性差，其熱導率僅為鋼的1／40，在相同的磨削速度下，純鈦和TC4鈦合金磨削溫度約為45^#鋼的1.5~2倍。特別像圖1所示的工件，磨削時發(fā)熱容易產(chǎn)生翹曲變形和燒傷。

2）鈦材在退火狀態(tài)下，硬度較低，塑性與韌性好，磨削時砂輪粘附現(xiàn)象很嚴重，鈦屑呈云霧狀遍布砂輪表面，幾乎看不到砂粒，砂輪極易鈍化。

3）純鈦的彈性模量小，僅為鋼的1／2，剛性也不好，容易受磨削力的作用產(chǎn)生變形。

4）鈦的化學活性高，在磨削發(fā)熱條件下，很容易與環(huán)境氣氛發(fā)生反應使表面被污染。

5）鈦是非磁性材料，鈦工件不能直接與工作臺面相吸引，磨削時只能靠自身重量及周邊擋塊作用來裝夾固定，所以作用在工件上的磨削力不能太大，否則工件易發(fā)生變形。

為保證作為濺射用鈦靶平面磨削的質(zhì)量和技術(shù)要求，要根據(jù)磨削工件的性質(zhì)和技術(shù)特點來嚴格選擇和設(shè)計磨具。

3、磨具的選擇

組成磨具的主體是砂輪。對于確定的磨削對象，磨削的效果取決于砂輪的性能與磨削材質(zhì)的匹配。本實驗磨削鈦工件(圖1)，因此要根據(jù)其性質(zhì)來考慮組成砂輪磨料種類及磨料的粒度、結(jié)合劑、砂輪致密度等因素。

3.1 磨料種類

磨料是制造磨具的最主要材料，磨削力來自于磨料。在磨料選擇方面，從鈦材極易粘附砂輪這一特性出發(fā)，本實驗分別采用單晶剛玉、白剛玉及綠碳化硅3種磨料的砂輪(硬度、粒度相同)，對尺寸為304 mmx333 mm的TA2工件進行對比磨削試驗，結(jié)果見表1。

根據(jù)試驗結(jié)果，決定采用以白剛玉為磨料的砂輪，因其磨粒易碎裂，韌性低，棱角鋒利，切削性能好，產(chǎn)生的磨削熱量小，砂輪容易保持其一定的自銳性，有利于減少磨削力。至于表面局部的燒傷現(xiàn)象，通過調(diào)整砂輪硬度及組織可得到改善。

3.2 硬度

這里所謂的磨具硬度，是指砂輪在外力作用下磨粒脫落的難易程度。砂輪過硬，磨鈍的磨粒不易脫落，砂輪易堵塞，使磨削阻力增大，磨削熱量增加，降低磨削效率，且工件易燒傷；若砂輪過軟，又容易被損耗。根據(jù)鈦材性質(zhì)，選擇中軟硬度級別。

3.3 組織

組織是指砂輪中磨粒所占體積百分比，即砂輪的致密度。組織相對疏松的砂輪不易堵塞，磨削力不易降低，有利于提高生產(chǎn)效率。對鈦材而言，砂輪的組織應選擇疏松級別。

3.4 結(jié)合劑

結(jié)合劑決定了磨具的強度、抗沖擊性、耐熱性和抗腐蝕性。根據(jù)鈦材特點及結(jié)合劑性能，選擇了耐熱、抗腐蝕性，且易實現(xiàn)大氣孔率、高磨削效率的陶瓷結(jié)合劑。

3.5 粒度

粒度的選擇主要考慮表面粗糙度和磨削效率。粒度越小越容易降低表面粗糙度值，但相應地磨削效率有所下降。在對工件的對比磨削試驗中，分別選用了36^#，46^#，60^#粒度的砂輪進行了對比，結(jié)果得出，采用36^#粒度的砂輪進行磨削，表面粗糙度能達到Ra 1.6以上，磨削所需時間較短；46^#粒度砂輪能達到Ra0.8，60^#粒度砂輪可達到Ra0.4以上，但所需磨削時間較長。比較其綜合效果，選擇46^#粒度砂輪。

4、磨削參數(shù)的選擇

4.1 磨削速度

采用46^#粒度砂輪的條件下，對本實驗工件(圖1)進行了磨削。粗磨時，選擇砂輪的線速度v₀=30～35m/s，工件縱向進給速度v_w=18~25m/min，砂輪徑向進給量f_r=0.015～0.025mm/單行程。精磨時，選擇V0=35m/s，v_w=12～15m/min，f_r=0.005 mm/單行程。

若有更高精度及表面粗糙度要求時，在精磨前應修整砂輪，用2～4個行程無火花磨削至最終要求。

4.2 磨削液

在磨削中，應使用磨削液來緩解加工表面的磨擦，降低磨削溫度，排除切屑，保護加工表面。

在本實驗中采用普通乳化油即可滿足要求。若有更高磨削精度及表面粗糙度要求時，應使用含添加劑S，CI，P的極壓油，效果更好。

5、結(jié)論

1）采用本研究的磨削工藝，對真空磁控濺射鈦靶(純鈦或鈦合金)進行磨削，在加工余量相同的條件下，表面粗糙度達到Ra0.4，厚度公差可控制在0.03mm之內(nèi)，平面度公差可控制在0.02mm之內(nèi)，比采用普通磨削方法效率提高2倍以上。

2）可將此磨削方法應用到紫銅及純銀材料的磨削中，也得到非常好的效果，尺寸精度可達IT5級，表面粗糙度達到Ra0.4，打破了機械行業(yè)中通常認為紫銅、純銀不能磨削的觀點。

參考文獻

【1】Han Rong(韓榮)．Cutting Process of Difficult MachiningMaterial(難加工材料的切削]JIISE)[M]．Beijing：Mechani—cal Industry Press，1990．182-185

【2】Hua Dingan(華定安)．Machining of Titanium and Its Alloy(鈦及鈦合金的加工)【M】．Bering：Metallurgical Industry

Press，1997．195-197

【3】Li Fulai(李福來)．Handbook o，Grinding Tool(磨具手冊)【M】．Beijing：Metallurgical Industry Press，1989．133-135

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