La post-elaborazione danneggerà la struttura interna?

一, Principio tecnico: il problema principale con l'elaborazione della macchina post-
Lo scopo principale della post-elaborazione è migliorare la qualità della superficie, l'accuratezza dimensionale o le qualità meccaniche delle parti mediante taglio, lucidatura, trattamento termico e altri metodi. Gli oggetti lavorati sono solitamente parti realizzate mediante procedure come la produzione additiva (AM), la fusione o la forgiatura. La struttura interna di queste parti può contenere le seguenti caratteristiche:
Difetti microscopici, come porosità, mancanza di una zona di fusione (LOF) in parti realizzate utilizzando la produzione additiva o restringimento della porosità e crepe nelle parti fuse.
Lo stress residuo è la tensione che si accumula all'interno di un oggetto a causa di un cambiamento di temperatura o di fase. Ciò può causare la piegatura o la frantumazione dell'oggetto dopo la lavorazione.
I materiali sfumati e la struttura a grana non-uniforme sono esempi di organizzazione non uniforme che potrebbero modificare il modo in cui i materiali vengono rimossi durante l'elaborazione.
Gli interventi in post-elaborazione possono modificare queste strutture interne mediante pressioni meccaniche, impatti termici o reazioni chimiche, con conseguente degrado delle prestazioni o aumento dei rischi di guasto.
2, L'effetto e il caso di studio di procedure tipiche
1. Taglio meccanico: lasciare andare le tensioni e attivare i difetti
Quando un utensile e una parte entrano in contatto diretto durante il taglio meccanico (come fresatura e tornitura), il materiale viene rimosso. Ciò può produrre i seguenti cambiamenti nella struttura interna della parte:
Ridistribuzione dello stress residuo: le forze di taglio possono influenzare lo stato di stress superficiale della parte e potenzialmente causare la formazione di microfessure interne. Un'azienda aeronautica, ad esempio, ha osservato che lo stress residuo delle pale in lega di titanio realizzate mediante produzione additiva è passato da -150 MPa a +80 MPa dopo la fresatura. Ciò ha ridotto la loro vita a fatica del 30%.
Propagazione dei difetti: le vibrazioni del taglio possono far sì che piccoli fori o aree di fusione incompleta all'interno del materiale si trasformino in grandi fessure. Gli studi indicano che dopo la-fresatura di sgrossatura, la porosità dei componenti in lega di alluminio prodotti utilizzando la fusione laser a letto di polvere (LPBF) aumenta dallo 0,5% all'1,2%, mentre la resistenza alla frattura diminuisce del 25%.
Risposta:
Utilizza la lavorazione di ultra-precisione (come la tornitura di diamante-a punto singolo) per ridurre la forza di taglio. Eseguire un trattamento termico (come la ricottura di distensione) prima del taglio per equalizzare lo stress interno. Ottimizza il percorso utensile per stare lontano dai punti in cui le vibrazioni tendono ad accumularsi.
2. Trattamento termico: cambiamenti nell'organizzazione e stabilità delle dimensioni
La modifica dello stato di fase dei materiali attraverso il trattamento termico (come tempra, rinvenimento e pressatura isostatica a caldo) potrebbe migliorare le prestazioni, ma può anche causare:
Deformazione prodotta dalla trasformazione di fase: L'aumento di volume che avviene durante la trasformazione martensitica può far cambiare forma ai pezzi. Dopo la cementazione e la tempra, l'errore del profilo del dente di uno specifico ingranaggio del veicolo, ad esempio, è aumentato da ± 0,02 mm a ± 0,05 mm.
Porosità indotta termicamente (TIP): dopo la pressatura isostatica a caldo (HIP), i pori del gas inerte possono ricrescere nelle parti realizzate utilizzando additivi. Gli studi indicano che dopo l'-HIP, se la durata della ricottura della lega Ti-6Al-4V supera le 4 ore, la porosità può aumentare dello 0,3%.
Risposta:
Utilizzo dell'estinzione graduale o dell'estinzione isotermica per tenere d'occhio il ritmo del cambiamento di fase;
Per interrompere il TIP,-regola i parametri del processo HIP (come temperatura, pressione e tempo).
Lo stress viene scaricato attraverso il processo di "lavorazione grezza → trattamento termico → lavorazione di precisione", che combina trattamento termico e lavorazione meccanica.
3. Rafforzamento della superficie: tensioni residue di compressione e prestazione a fatica
le tecniche che rinforzano le superfici, come la pallinatura e la laminazione, aggiungono stress di compressione residuo, che aumenta la durata a fatica. Tuttavia, queste tecniche possono anche causare:
Danni alla superficie: una pallinatura eccessiva potrebbe causare microfessurazioni o un affinamento della grana superficiale. Ad esempio, dopo la pallinatura, la rugosità superficiale di uno specifico albero motore di un aereo è passata da Ra1,6 μm a Ra0,4 μm, mentre la profondità della fonte di frattura per fatica è aumentata di 0,1 mm.
Squilibrio del gradiente di stress: quando lo strato di stress di compressione residuo e lo stress della matrice non corrispondono, potrebbe causare delaminazione. Gli studi indicano che i componenti in lega di alluminio sottoposti a pallinatura con shock laser (LSP) sono suscettibili a microfessurazioni all'interfaccia quando la profondità della sollecitazione di compressione residua supera 0,5 mm.
Risposta:
Controllare l'intensità della pallinatura (ad esempio misurando la copertura di un provino Almen); utilizzare procedure di rinforzo dei compositi (ad esempio pallinatura e laminazione) per bilanciare i gradienti di sollecitazione; e utilizzare la simulazione numerica per trovare i migliori parametri di processo.
3, Gestione del rischio: dal disegno della procedura al suo controllo online
Il settore deve istituire un sistema completo di controllo dei processi per limitare i danni arrecati dalla post-elaborazione alla struttura interna.
Durante la fase di progettazione del processo, scegli un mix di processi di post-elaborazione che si adatti alle esigenze di materiale, struttura e prestazioni delle parti. Ad esempio, la lucidatura HIP+elettrolitica è migliore della lucidatura meccanica diretta per gli articoli realizzati con la produzione additiva.
Utilizza l'analisi degli elementi finiti (FEA) per capire come si diffonderà lo stress e come cambieranno forma gli oggetti durante la lavorazione. Una certa azienda ha utilizzato la simulazione per migliorare le impostazioni di fresatura, riducendo la deformazione della lavorazione delle parti in lega di titanio da 0,15 mm a 0,03 mm.
Fase di esecuzione del trattamento:
Utilizzo di strumenti di monitoraggio intelligenti come sensori di emissioni acustiche e forza di taglio per fornire input in tempo reale-su come sta andando la lavorazione. Ad esempio, un certo produttore di macchine utensili ha inventato il "sistema di taglio adattivo", che può modificare al volo la velocità di avanzamento per evitare troppe vibrazioni.
Utilizza il controllo-a circuito chiuso e modifica i parametri del processo in base ai dati provenienti dal rilevamento online. Se un'azienda aeronautica utilizza un interferometro laser per misurare quanto è ruvida una superficie e quindi regola automaticamente la pressione della lucidatura.
Fase del controllo di qualità:
Utilizza metodi di test non-distruttivi (NDT) come la tomografia computerizzata a raggi X-e i test a ultrasuoni per individuare problemi all'interno dell'oggetto. Gli studi rivelano che la TC industriale può trovare pori larghi 0,02 mm con una precisione del 98%.
Imposta una catena di elaborazione dei dati di test e utilizza l'apprendimento automatico per indovinare quanto durerà una parte. Ad esempio, una determinata azienda può utilizzare i dati passati per addestrare un modello in grado di anticipare la probabilità di guasto da fatica degli ingranaggi con sei mesi di anticipo.