Систематический обзор оптимизации параметров процесса RUM и их влияния на характеристики деталей никеля 718.

Научные отчеты, том 13, Номер статьи: 1716 (2023) Цитировать эту статью

664 доступа

1 Цитаты

Подробности о метриках

Это исследование сосредоточено на сверлении суперсплава на основе никеля с помощью алмазного корончатого сверла и выявило важные параметры ротационной ультразвуковой обработки, которые оптимизируют скорость обработки (MR) и качество поверхности. Четыре основных параметра: материал заготовки, толщина заготовки, материал инструмента и размер инструмента; и четыре параметра RUM: вращение инструмента, скорость подачи, номинальная мощность ультразвука, размер абразивного зерна инструмента и качество поверхности среза были проверены. Результаты показали, что максимальное значение MR 0,8931 мм3/сек достигается при более высоком уровне вращения инструмента, скорости подачи, мощности ультразвука и умеренном уровне абразивной зернистости алмаза. Минимальная шероховатость поверхности (Ra) 0,554 мкм наблюдается при более высоком уровне вращения, умеренных значениях скорости подачи, мощности ультразвука и зернистости алмазного абразива. Кроме того, для однокритериальных и многокритериальных функций используется подход роевой оптимизации частиц (PSO) для поиска оптимальных значений параметров процесса. Кроме того, для проверки обработанной поверхности после РУМ также используется сканирующий электронный микроскоп. Сделан вывод о наличии микротрещин на обработанной поверхности.

С развитием авиадвигателестроения в новых двигателях все больше применяются композитные и труднообрабатываемые материалы. Это открытие показывает, что существует большая потребность в технологиях обработки и возможностях компонентов для обработки сложных материалов.

Суперсплавы на основе никеля представляют собой уникальный класс металлических материалов с замечательным сочетанием прочности при повышенных температурах, ударной вязкости и устойчивости к разрушению в коррозионных или окислительных условиях1.

На рисунке 1 показано улучшение температурной устойчивости суперсплавов на основе никеля, которая увеличивается с каждым годом благодаря передовой обработке, разработке сплавов, использованию термобарьерных покрытий, инновационным и эффективным схемам охлаждения2. Компоненты авиационного двигателя, такие как корпус, диски компрессора, кольцо подшипника, лопатки, диск турбины и другие детали, работающие при высоких температурах, изготавливаются из суперсплавов на основе никеля из-за их высокой прочности, высокой коррозионной стойкости, превосходных термических свойств. усталостные свойства и термическая стабильность3. Многочисленные суперсплавы на основе никеля, используемые в реактивных двигателях, перечислены на рис. 2.

Развитие предела текучести суперсплавов на основе Ni при температуре 1100 ℃ — 137 МПа3.

Используются суперсплавы на основе никеля, которые обычно составляют около 50% веса реактивного двигателя.

Пятьдесят процентов деталей реактивного двигателя изготовлено из сплава Inconel 718. Инконель представляет собой сплав Ni–Fe–Cr4. Однако предел прочности Inconel 718 может достигать 1393 МПа при комнатной температуре. Механическая обработка детали усложняется из-за ее обрабатываемости. В ней обрабатывается лишь 8–20 % стали, что приводит к неэффективной обработке.

Кроме того, обработка суперсплавов на основе никеля приводит к повышенному окислительному износу инструмента, адгезионному износу, механическому и диффузионному износу, что снижает срок службы инструмента. Например, черновое и чистовое сверление лезвия из суперсплава на основе никеля со средней длиной сверления требует больше времени. При обработке суперсплавов частый износ инструмента считается прямым фактором, ограничивающим эффективность обработки, а резкое повышение температуры, вызванное сильно упрочненной обрабатываемой поверхностью, является ключевым фактором ускорения износа инструмента5.

По мнению Хабиба и др.6, термическое растрескивание было основной причиной выхода из строя инструмента при высоких скоростях резания. Это происходит в результате того, что кромки подвергаются значительному термическому удару в результате высокой температуры, вызванной высокой скоростью резания и значительным изменением температуры7. Традиционное сверление обычно сталкивается с некоторыми трудностями из-за локализации тепла в зоне резания в результате внедрения сверла в заготовку. Температура резания напрямую влияет на точность размеров просверленного отверстия, качество поверхности и срок службы инструмента. Лофти и др. использовали ультразвуковое сверление в присутствии минимального количества наножидкостной смазки для стали 1045 и обнаружили, что за счет снижения коэффициента трения, вызванного применением ультразвуковой вибрации, режим износа просверленной поверхности изменяется с клеевого на абразивный и образуется нарост Верхняя кромка ограничена, что обеспечивает лучшее качество поверхности8,9. Лофти и др. разработала механистическую модель отклонения заготовки для алюминия 7075. С использованием ультразвука и без него было выполнено сверление заготовки. Установлено, что как в экспериментальном, так и в теоретическом подходах увеличение скорости подачи приводит к увеличению прогиба заготовки. Это связано с увеличением значений силы тяги, на которое существенное влияние оказало движение подачи10. Хотя сверхтвердые режущие инструменты, такие как CBN и PCBN, играют определенную роль в повышении эффективности обработки суперсплавов на основе никеля, керамические режущие инструменты, такие как матрица оксида алюминия и Si3N4, по-прежнему играют важную роль. Обнаружено, что инструмент CBN способен обрабатывать Inconel 718 по сравнению с твердосплавным инструментом. В современном сценарии ротационная ультразвуковая обработка (РУМ) может использоваться для обработки материалов сложной и прочной структуры, таких как керамика, титан, стекло и т. д.11 На рисунке 3 показан метод обработки РУМ. Корончатое сверло с алмазными абразивами на металлической связке подвергается ультразвуковой вибрации и подается к заготовке с постоянной скоростью подачи или постоянным усилием (давлением). Охлаждающая жидкость, прокачиваемая через сердечник сверла, смывает стружку, предотвращает заклинивание сверла и сохраняет его прохладным. Существует два механизма процесса РУМ: во-первых, с помощью ультразвуковой вибрации происходит удаление материала; во-вторых, посредством традиционного процесса алмазного абразивного шлифования. Он включает в себя процесс ковки, истирания и извлечения для обработки РУМ.