Wird die interne Struktur durch die Nachbearbeitung beschädigt?

一, Technisches Prinzip: Das Hauptproblem bei der maschinellen Nachbearbeitung
Der Hauptzweck der Nachbearbeitung besteht darin, die Oberflächenqualität, Maßhaltigkeit oder mechanischen Eigenschaften von Teilen durch Schneiden, Polieren, Wärmebehandlung und andere Methoden zu verbessern. Bei den verarbeiteten Objekten handelt es sich in der Regel um Teile, die durch Verfahren wie additive Fertigung (AM), Gießen oder Schmieden hergestellt wurden. Die interne Struktur dieser Teile kann die folgenden Merkmale enthalten:
Mikroskopische Fehler wie Porosität, das Fehlen einer Schmelzzone (LOF) in Teilen, die mithilfe der additiven Fertigung hergestellt wurden, oder schrumpfende Porosität und Risse in Gussteilen.
Restspannung ist eine Spannung, die sich im Inneren eines Objekts aufgrund einer Temperatur- oder Phasenänderung aufbaut. Dies kann dazu führen, dass sich das Objekt nach der Bearbeitung verbiegt oder zerbricht.
Gradientenmaterialien und eine ungleichmäßige Kornstruktur sind Beispiele für eine ungleichmäßige Organisation, die sich auf die Art und Weise auswirken kann, wie Materialien während der Verarbeitung entfernt werden.
Eingriffe in die Nachbearbeitung können diese internen Strukturen durch mechanischen Druck, thermische Einflüsse oder chemische Reaktionen verändern, was zu Leistungseinbußen oder einem erhöhten Ausfallrisiko führt.
2, Die Wirkung und Fallstudie typischer Verfahren
1. Mechanisches Schneiden: Stress loslassen und Defekte aktivieren
Wenn beim mechanischen Schneiden (z. B. Fräsen und Drehen) ein Werkzeug und ein Teil in direkten Kontakt kommen, wird Material abgetragen. Dies kann zu folgenden Änderungen in der inneren Struktur des Teils führen:
Umverteilung der Eigenspannung: Schnittkräfte können den Oberflächenspannungszustand des Teils beeinflussen und möglicherweise zur Bildung interner Mikrorisse führen. Ein Flugzeughersteller beobachtete beispielsweise, dass die Eigenspannung von Rotorblättern aus Titanlegierung, die durch additive Fertigung hergestellt wurden, nach dem Fräsen von -150 MPa auf +80MPa anstieg. Dadurch verkürzte sich ihre Lebensdauer um 30 %.
Fehlerausbreitung: Schneidvibrationen können dazu führen, dass kleine Löcher oder Bereiche mit unvollständiger Verschmelzung im Material zu großen Rissen heranwachsen. Studien zeigen, dass nach dem Grobfräsen die Porosität von Aluminiumlegierungskomponenten, die mittels Laser-Pulverbettschmelzen (LPBF) hergestellt wurden, von 0,5 % auf 1,2 % ansteigt, während die Bruchzähigkeit um 25 % abnimmt.
Antwort:
Verwenden Sie Ultra-Präzisionsbearbeitung (wie z. B. Einpunkt--Diamantdrehen), um die Schnittkraft zu verringern. Führen Sie vor dem Schneiden eine Wärmebehandlung (z. B. Spannungsarmglühen) durch, um innere Spannungen auszugleichen. Optimieren Sie den Werkzeugweg, um Stellen zu vermeiden, an denen sich Vibrationen aufbauen können.
2. Wärmebehandlung: Veränderungen in der Organisation und Stabilität der Dimensionen
Die Änderung des Phasenzustands von Materialien durch Wärmebehandlung (z. B. Abschrecken, Anlassen und heißisostatisches Pressen) kann die Leistung verbessern, kann aber auch Folgendes verursachen:
Verformung durch Phasenumwandlung: Die Volumenzunahme, die während der martensitischen Umwandlung auftritt, kann dazu führen, dass sich die Form der Teile ändert. Nach dem Aufkohlen und Abschrecken stieg beispielsweise der Zahnprofilfehler eines bestimmten Fahrzeugzahnrads von ± 0,02 mm auf ± 0,05 mm.
Thermisch induzierte Porosität (TIP): Nach dem heißisostatischen Pressen (HIP) können in Teilen, die unter Verwendung von Additiven hergestellt wurden, erneut Inertgasporen wachsen. Studien zeigen, dass die Porosität nach dem HIP um 0,3 % ansteigen kann, wenn die Glühdauer der Ti-6Al-4V-Legierung 4 Stunden überschreitet.
Antwort:
Verwendung einer abgestuften oder isothermen Abschreckung, um die Geschwindigkeit des Phasenwechsels im Auge zu behalten;
Um TIP zu stoppen, -passen Sie die HIP-Prozessparameter (z. B. Temperatur, Druck und Zeit) fein an.
Spannungen werden durch den Prozess „Grobbearbeitung → Wärmebehandlung → Präzisionsbearbeitung“ abgebaut, der Wärmebehandlung und Bearbeitung kombiniert.
3. Verstärkung der Oberfläche: Druckeigenspannung und Ermüdungsverhalten
Techniken zur Verstärkung von Oberflächen, wie Kugelstrahlen und Walzen, erhöhen die Restdruckspannung, was die Ermüdungslebensdauer erhöht. Diese Techniken können jedoch auch Folgendes verursachen:
Schäden an der Oberfläche: Zu starkes Kugelstrahlen kann zu Mikrorissen oder einer Verfeinerung der Oberflächenkörnung führen. Beispielsweise stieg die Oberflächenrauheit einer bestimmten Flugzeugtriebwerkswelle nach dem Kugelstrahlen von Ra1,6 μm auf Ra0,4 μm, während die Tiefe der Ermüdungsbruchquelle um 0,1 mm anstieg.
Ungleichgewicht des Spannungsgradienten: Wenn die Restdruckspannungsschicht und die Matrixspannung nicht übereinstimmen, kann es zu einer Delaminierung kommen. Studien zeigen, dass Komponenten aus Aluminiumlegierungen, die einem Laserschockstrahlen (LSP) unterzogen werden, anfällig für Mikrorisse an der Grenzfläche sind, wenn die Restdruckspannungstiefe 0,5 mm übersteigt.
Antwort:
Kontrollieren Sie die Intensität des Kugelstrahlens (z. B. durch Messung der Abdeckung eines Almen-Teststücks). Verwenden Sie Verfahren zur Verstärkung von Verbundwerkstoffen (z. B. Kugelstrahlen und Walzen), um Spannungsgradienten auszugleichen. und nutzen Sie numerische Simulationen, um die besten Prozessparameter zu finden.
3, Risikomanagement: von der Gestaltung des Verfahrens bis zur Online-Überwachung
Die Branche muss ein umfassendes Prozesskontrollsystem einrichten, um den Schaden zu begrenzen, der durch die Nachbearbeitung an der internen Struktur entsteht.
Wählen Sie während der Prozessentwurfsphase eine Mischung aus Nachbearbeitungsprozessen aus, die den Material-, Struktur- und Leistungsanforderungen der Teile entspricht. Beispielsweise ist das elektrolytische HIP+-Polieren für Artikel, die mit additiver Fertigung hergestellt wurden, besser als das direkte mechanische Polieren.
Verwenden Sie die Finite-Elemente-Analyse (FEA), um herauszufinden, wie sich Spannungen ausbreiten und wie Dinge ihre Form ändern, wenn sie bearbeitet werden. Ein bestimmtes Unternehmen nutzte die Simulation, um die Fräseinstellungen zu verbessern, wodurch die Bearbeitungsverformung von Titanlegierungsteilen von 0,15 mm auf 0,03 mm reduziert wurde.
Ausführungsstufe zur Bearbeitung:
Verwendung intelligenter Überwachungstools wie Schallemissions- und Schnittkraftsensoren, um Echtzeitinformationen über den Bearbeitungsverlauf zu liefern. Beispielsweise hat ein bestimmter Werkzeugmaschinenhersteller das „adaptive Schneidsystem“ erfunden, das die Vorschubgeschwindigkeit im Handumdrehen ändern kann, um zu starke Vibrationen zu vermeiden.
Verwenden Sie eine geschlossene -Loop-Steuerung und ändern Sie Prozessparameter abhängig von Daten aus der Online-Erkennung. Wenn eine Flugzeugfirma ein Laserinterferometer einsetzt, um zu messen, wie rau eine Oberfläche ist, und dann automatisch den Polierdruck anpasst.
Stufe der Qualitätsprüfung:
Verwenden Sie Methoden der zerstörungsfreien Prüfung (NDT) wie Röntgen-Computertomographie und Ultraschallprüfung, um Probleme im Inneren des Objekts zu finden. Studien zeigen, dass die industrielle CT Poren mit einer Breite von 0,02 mm mit einer Genauigkeit von 98 % finden kann.
Richten Sie eine Kette zur Verarbeitung von Testdaten ein und nutzen Sie maschinelles Lernen, um abzuschätzen, wie lange ein Teil halten wird. Beispielsweise kann ein bestimmtes Unternehmen frühere Daten verwenden, um ein Modell zu trainieren, das die Wahrscheinlichkeit eines Getriebeermüdungsausfalls sechs Monate im Voraus vorhersagen kann.