Материалы для авиации и космических аппаратов отличаются повышенными эксплуатационными характеристиками. Но работа с ними сопряжена со множеством проблем: быстрым износом инструментов, низкой эффективностью обработки и плохим качеством поверхности. Решение предлагают ученые из Нанкинского университета аэронавтики и астронавтики.
Гибридные методы в механической обработке
Аэрокосмическая отрасль постоянно разрабатывает и применяет новые материалы: высокопрочные и жаростойкие сплавы, композиты на основе металла, керамики и полимеров. Как правило, за способность работать в экстремальных условиях приходится платить трудностями на производстве. Высокая сила резания и нагрев быстро выводят из строя инструмент, снижают качество поверхности и производительность процесса.
Группа китайских ученых видит возможность в том, чтобы воздействовать на материалы непривычными методами. Авторы представили тематический обзор, посвященный нетрадиционной механической обработке с сопутствующим энергетическим воздействием (буквально, nontraditional energy-assisted mechanical machining). По существу, это перечисление удачных научных исследований по теме (более 320 ссылок) и праздник духа для адепта ТРИЗ.
В основе гибридных методов лежит привычная механообработка (резание или абразивное воздействие), которая остается основным методом удаления материала. Но локальное воздействие «нетрадиционной» энергии (вибрации, электрического тока и других) значительно упрощает рабочий процесс. Например, ультразвук меняет режим контакта инструмента с деталью, магнитное поле влияет на кинематику заготовки, а лазер просто испаряет поверхность.
Энергетические воздействия снижают степень упрочнения, остаточные напряжения, слоение заготовки, соответственно, заметно снижается скорость износа инструмента и процент брака. Одновременно растет качество обработанной поверхности и точность размеров.
Примеры «нетрадиционной» механической обработки
Сразу обратим внимание, что речь идет о крайне твердых, либо капризных, либо анизотропных материалах, которые с трудом поддаются обычной обработке. И во всех случаях сопутствующие энергетические воздействия снижают усилие резания и шероховатость поверхности, увеличивая срок службы инструмента.
Применительно к производству «гибридизация» — это объединение двух или более отдельных процессов в систему.
Пример: на 5-осевой фрезерный станок с ЧПУ устанавливают лазерную наплавную головку и блок подачи порошка. Сначала лазер формирует заготовку с минимальными припусками, а затем шпиндель, меняя инструменты, придает ей заданную форму.
Такой станок отличается высокой точностью, не расходует время на перестановку детали и перенастройку. Зато повышает качество продукции и производительность рабочего процесса.
Часто за термином «гибридное производство» стоит именно эта технология. Но авторы статьи рассматривают только инновации, находящиеся за стенами лабораторий.
Вибрация
В сочетании с традиционными методами механической обработки (токарные, фрезерные, шлифовальные операции) ультразвук (>20 кГц) меняет траекторию инструмента и заготовки. Например, когда колебания передавались на токарный резец, то режим удаления материала сменялся с непрерывного на прерывистый, а усилие резания снижалось на 40%.
Ультразвуковое вибрационное фрезерование создает высокочастотное сдавливание заготовки инструментом, за счет чего твердость поверхности увеличивается на 80%. Кроме того, происходит измельчение приповерхностных зерен, и одна обработка может увеличить толщину слоя пластической деформации почти на 80%. То есть, увеличивается усталостная долговечность обработанной детали.
Лазер
Механическая обработка с использованием лазера построена либо на предварительном нагреве, либо на испарении, либо на изменении микроструктуры материала детали. К примеру, при повышенной температуре механизм деформации керамики и цементированных карбидов меняется с хрупкого на пластичный, а это напрямую влияет на качество поверхности.
Токарная обработка композита с алюминиевой матрицей, армированного частицами карбида кремния с лазерным нагревом детали снизила усилие резания на 63%, износ инструмента на 65%, а шероховатость обработанной поверхности на 75%.
В другом случае импульсный лазер использовали для окисления поверхности заготовки. Образовались рыхлые и пористые оксиды, которые легко удаляли режущим инструментом. Однако не все материалы подходят для этого метода: например, оксидные керамики и стекла, которые плохо поглощают лазерное излучение, таким образом обработать нельзя.
Комбинирование лазера и вибрации при токарной обработке снизило усилия резания на 68% и увеличило срок службы инструмента на 95%.
Магнитное поле
При токарной обработке внешнее магнитное поле может обеспечить вихревое демпфирование детали, которое компенсирует вибрацию при обработке. Снижается вибрация, увеличивается долговечность инструмента и повышается геометрическая точность поверхности. В одном из экспериментов шероховатость поверхности снизилась на 55%, а усилие резания на 66%. Кроме того, образовывалась длинная непрерывная и гладкая стружка, что говорит о стабильном режиме резания. Погрешность формы образцов из титанового сплава Ti-6Al-4V составила менее 4%, в то время как для обычной токарной обработки эта цифра лежит в диапазоне 25–37%.
Перспективы гибридных методов
Перед тем, как «нетрадиционные» технологии начнут применять в аэрокосмической промышленности, ученым и инженерам нужно преодолеть ряд проблем. Например, чтобы обрабатывать конструкции со сложной геометрией, нужно синхронизировать работу лазерного луча и движение режущего инструмента.
«Для механической обработки с использованием вибрации крайне важно повысить производительность оборудования для вибрационной обработки, — говорит один из авторов обзора доктор Бяо Чжао, — и предоставить инновационные инструменты, совместимые с ультразвуковыми колебаниями».
Другими словами, гибридные методы механообработки пока остаются красивой концепцией. Но они работают, поэтому явно, что какие-то из них быстрее найдут баланс между эффективностью, качеством и стоимостью, между технологией и производственными требованиями.
«На пути от лаборатории до фабрики гибридному методу предстоит преодолеть долгий путь, — говорит профессор Дин. — Необходимы дальнейшие фундаментальные исследования, технологические прорывы и разработка оборудования. Это междисциплинарная область, охватывающая многие сферы, такие как механика, физика, химия и материаловедение».
