Повредит ли пост-обработка внутреннюю структуру?

一, Технический принцип: основная проблема пост-машинной обработки
Основная цель пост-обработки – улучшить качество поверхности, размерную точность и механические свойства деталей путем резки, полировки, термообработки и других методов. Обработанные объекты обычно представляют собой детали, изготовленные с помощью таких процедур, как аддитивное производство (АП), литье или ковка. Внутреннее строение этих частей может содержать следующие особенности:
Микроскопические дефекты, такие как пористость, отсутствие зоны сплавления (LOF) в деталях, изготовленных с использованием аддитивного производства, или усадочная пористость и трещины в литых деталях.
Остаточное напряжение — это напряжение, которое возникает внутри объекта из-за изменения температуры или фазы. Это может привести к тому, что объект погнется или разобьется после обработки.
Градиентные материалы и неоднородная зернистая структура — это примеры неравномерной организации, которая может изменить способ удаления материалов во время обработки.
Вмешательства в пост-обработку могут изменить эти внутренние структуры под воздействием механического давления, термического воздействия или химических реакций, что приведет к снижению производительности или увеличению риска сбоя.
2. Эффект и тематическое исследование типичных процедур.
1. Механическая резка: снятие стресса и активация дефектов
Когда инструмент и деталь вступают в прямой контакт во время механической резки (например, фрезерования и токарной обработки), материал удаляется. Это может привести к следующим изменениям во внутренней структуре детали:
Перераспределение остаточного напряжения. Силы резания могут повлиять на напряженное состояние поверхности детали и потенциально вызвать образование внутренних микротрещин. Например, авиастроительная компания заметила, что остаточное напряжение лопаток из титанового сплава, изготовленных методом аддитивного производства, после фрезерования изменилось с -150 МПа до +80 МПа. Это сократило их усталостный ресурс на 30%.
Распространение дефектов: режущая вибрация может привести к тому, что небольшие отверстия или участки неполного слияния внутри материала перерастут в большие трещины. Исследования показывают, что после чернового фрезерования пористость деталей из алюминиевых сплавов, полученных с помощью лазерной плавки в порошковом слое (LPBF), увеличивается с 0,5 % до 1,2 %, а вязкость разрушения снижается на 25 %.
Отвечать:
Используйте сверхточную-точную обработку (например, одноточечную-алмазную токарную обработку), чтобы снизить силу резания. Перед резкой выполните термообработку (например, отжиг для снятия напряжений), чтобы выровнять внутреннее напряжение. Оптимизируйте траекторию инструмента, чтобы держаться подальше от мест, где обычно возникает вибрация.
2. Термическая обработка: изменения в организации и стабильности размеров.
Изменение фазового состояния материалов посредством термической обработки (например, закалки, отпуска и горячего изостатического прессования) может улучшить эксплуатационные характеристики, но также может привести к:
Деформация, вызванная фазовым превращением: увеличение объема, происходящее во время мартенситного превращения, может привести к изменению формы деталей. Например, после цементации и закалки погрешность профиля зуба конкретной шестерни автомобиля выросла с ± 0,02 мм до ± 0,05 мм.
Термически индуцированная пористость (TIP). После горячего изостатического прессования (HIP) поры инертного газа могут снова вырасти в деталях, изготовленных с использованием добавок. Исследования показывают, что после-HIP, если продолжительность отжига сплава Ti-6Al-4V превышает 4 часа, пористость может увеличиться на 0,3%.
Отвечать:
Использование ступенчатой ​​или изотермической закалки для отслеживания скорости фазового перехода;
Чтобы остановить TIP, выполните точную-настройку параметров процесса HIP (таких как температура, давление и время).
Напряжение снимается в процессе «грубой обработки → термообработки → прецизионной обработки», который сочетает в себе термическую обработку и механическую обработку.
3. Укрепление поверхности: остаточные напряжения сжатия и усталостные характеристики.
методы, усиливающие поверхности, такие как дробеструйная обработка и прокатка, добавляют остаточное сжимающее напряжение, что увеличивает усталостную долговечность. Однако эти методы также могут вызвать:
Повреждение поверхности: слишком сильная дробеструйная обработка может привести к образованию микротрещин или измельчению зерен поверхности. Например, после дробеструйной обработки шероховатость поверхности вала конкретного авиационного двигателя увеличилась с Ra1,6 мкм до Ra0,4 мкм, а глубина источника усталостного разрушения увеличилась на 0,1 мм.
Дисбаланс градиента напряжений: когда слой остаточного сжимающего напряжения и напряжение матрицы не совпадают, это может привести к расслоению. Исследования показывают, что компоненты из алюминиевых сплавов, подвергнутые лазерной ударной обработке (LSP), подвержены микротрещинам на границе раздела, когда глубина остаточного сжимающего напряжения превышает 0,5 мм.
Отвечать:
Контролируйте интенсивность дробеструйной обработки (например, измеряя покрытие образца Алмена); использовать процедуры упрочнения композитов (например, дробеструйную обработку и прокатку), чтобы сбалансировать градиенты напряжений; и используйте численное моделирование, чтобы найти лучшие параметры процесса.
3. Управление рисками: от разработки процедуры до отслеживания ее в режиме онлайн.
Отрасли необходимо создать тщательную систему управления процессами, чтобы ограничить ущерб, который пост-обработка наносит внутренней структуре.
На этапе проектирования процесса выберите сочетание процессов пост-обработки, которое соответствует требованиям к материалу, структуре и производительности деталей. Например, HIP+электролитическая полировка лучше, чем прямая механическая полировка для изделий, изготовленных с помощью аддитивного производства.
Используйте анализ методом конечных элементов (FEA), чтобы выяснить, как будет распространяться напряжение и как предметы будут менять форму во время обработки. Одна компания использовала моделирование для улучшения настроек фрезерования, что позволило сократить деформацию обработки деталей из титановых сплавов с 0,15 мм до 0,03 мм.
Стадия выполнения обработки:
Используйте интеллектуальные инструменты мониторинга, такие как датчики акустической эмиссии и силы резания, чтобы получать-информацию в режиме реального времени о ходе обработки. Например, один производитель станков изобрел «адаптированную систему резки», которая может изменять скорость подачи на лету, чтобы избежать слишком сильной вибрации.
Используйте замкнутый-управление и изменяйте параметры процесса в зависимости от данных онлайн-обнаружения. Если авиастроительная фирма использует лазерный интерферометр для измерения шероховатости поверхности, а затем автоматически регулирует давление полировки.
Этап проверки качества:
Используйте методы не-неразрушающего контроля (NDT), такие как рентгеновская-компьютерная томография и ультразвуковой контроль, чтобы обнаружить проблемы внутри объекта. Исследования показывают, что промышленная компьютерная томография может обнаруживать поры шириной 0,02 мм с точностью 98%.
Настройте цепочку обработки данных испытаний и используйте машинное обучение, чтобы угадать, как долго прослужит деталь. Например, конкретный бизнес может использовать прошлые данные для обучения модели, которая может прогнозировать вероятность усталостного отказа зубчатой ​​передачи на шесть месяцев вперед.