激光輔助加工能否解決金屬基復(fù)合材料零件制造的難題？山高在英國開展的一個(gè)令人興奮的項(xiàng)目已經(jīng)找到了答案。近年來，鈦和碳化硅鋁等金屬基復(fù)合材料（metal matrix composites，簡稱MMCs）已成為一種可提供傳統(tǒng)金屬所缺乏的低重量和高強(qiáng)度的理想混合材料。航空航天和汽車行業(yè)開始探索利用這些復(fù)合材料制造可降低油耗、提高可持續(xù)性和控制成本的零件。但 MMC 很難加工。因?yàn)樗鼈兺ǔ：袌?jiān)硬的增強(qiáng)材料部分，如陶瓷顆?；蚶w維，所以具有磨損性。它們包含的硬質(zhì)材料被較軟的基體包圍，因此很難均勻加工，這意味著表面質(zhì)量很差。這對(duì)如此貴重的高性能材料是不利的，而且它們?nèi)菀自诰植繀^(qū)域產(chǎn)生強(qiáng)烈的熱量，導(dǎo)致熱變形和工具很早失效。刀具磨損極快，加工效果差，傳統(tǒng)的刀具加工方法根本無法勝任。多晶金剛石切削材料可以加工 MMC，但加工不到幾次就會(huì)磨損。這樣既昂貴又浪費(fèi)。
THERMACH 項(xiàng)目：為什么激光輔助的方案可以大顯身手
答案可能就在激光輔助加工上。在歐洲 THERMACH（thermal machining，熱加工）項(xiàng)目的支持下，山高公司、諾丁漢大學(xué)、先進(jìn)材料公司 TISICS、激光專家 Optek 和 Attenborough Medical 共同參與了一項(xiàng)令人興奮的研究計(jì)劃，希望能夠?qū)崿F(xiàn)這一目標(biāo)。
THERMACH 是一個(gè)由英國、瑞典、奧地利和加拿大參與的研究聯(lián)盟，在過去的四年中一直在研究激光和感應(yīng)輔助加工技術(shù)的不同方面及策略。不過，激光方面的研究前景尤為廣闊。
山高公司的研發(fā)技術(shù)負(fù)責(zé)人Mark Walsh解釋說：“使用熱加工技術(shù)，激光會(huì)加熱切削工具刃口前端的材料，從而使材料塑化或熔化，使切削刀具更容易通過。”
諾丁漢大學(xué)是該項(xiàng)目的研究中心，該項(xiàng)目由英國國家投資機(jī)構(gòu) INNOVATE UK 資助。諾丁漢大學(xué)副教授廖志榮（Dr Zhirong Liao）博士和 Omkar Mypati 是諾丁漢大學(xué)團(tuán)隊(duì)的主要成員。十多年來，諾丁漢大學(xué)一直在研究 MMC，包括代表航空航天業(yè)的主要企業(yè)進(jìn)行研究，他們與山高有著長期的合作關(guān)系。
廖志榮說：“我們以前曾使用激光輔助加工鎳合金，為航空航天工業(yè)客戶取得了成功?！?nbsp;
“我們已經(jīng)開發(fā)出一種策略來控制激光束，并將其聚焦在相同的溫度和材料分布上。這種方法非常成功，因此我們決定將其推廣到更難加工的材料上?！彼a(bǔ)充道。
研究的起源
這項(xiàng)特殊研究的催化劑來自于英國一家專門從事金屬復(fù)合材料研究的公司 TISICS。該公司總經(jīng)理Stephen Kyle-Henney同時(shí)也是 THERMACH 項(xiàng)目英國研究部門的項(xiàng)目經(jīng)理。
他說：“我們一直在為航空航天領(lǐng)域的各種高性能應(yīng)用開發(fā)鈦復(fù)合材料，例如起落架?！?/p>
”通過在鈦中加入碳化硅纖維增強(qiáng)材料，我們可以使該材料的硬度與鋼相當(dāng)，但強(qiáng)度卻比單純的鈦高得多。在起落架應(yīng)用中，由于陶瓷纖維的壓縮特性，它實(shí)際上比鋼更輕、更強(qiáng)?！?/p>
”它很好，因?yàn)樗浅?jiān)固，但要將其加工成最終部件的凈形狀卻是一項(xiàng)挑戰(zhàn)。因?yàn)槔w維太硬，纖維的移動(dòng)意味著斷裂?！?/p>
Kyle-Henney 補(bǔ)充說，碳化硅的硬度意味著即使使用山高更高強(qiáng)度的硬質(zhì)合金材質(zhì)的刀具，磨損率也非常高，因?yàn)殡m然材料在被切削，但刀尖也在被快速磨損，這在經(jīng)濟(jì)上是不可行的。TISICS 最初解決這個(gè)問題的辦法是將纖維嵌入材料中，這樣就不需要加工，但這降低了制造和維修的靈活性。
他說：“諾丁漢大學(xué)在先進(jìn)加工技術(shù)方面有著悠久的歷史，無論是與航空航天工業(yè)合作開發(fā)加工技術(shù)，還是與山高公司合作開發(fā)與加工技術(shù)相匹配的模具技術(shù)，都是為了優(yōu)化速度、效率和質(zhì)量?！?/p>
“我們提出的要求可能會(huì)讓人感到意外，但團(tuán)隊(duì)確實(shí)做出了回應(yīng)。從歷史上看，當(dāng)我們嘗試加工它時(shí)，它看起來就像是用農(nóng)田里的耙加工出來的，而不是一個(gè)工程學(xué)加工后表面！現(xiàn)在看起來，它確實(shí)是加工出來的?！?/p>
該項(xiàng)目很快就將進(jìn)入最后階段，但展望未來幾年，在該解決方案可大規(guī)模擴(kuò)展之前，仍有一些工作要做。Attenborough Medical 公司的 Jensen Aw 目前正在研究的一個(gè)方面是繪制熱曲線圖。Aw 正在分析激光如何加熱材料，以及陶瓷纖維與金屬的加熱方式有何不同。陶瓷碳化硅纖維的熔點(diǎn)為 3000 攝氏度，而鈦的熔點(diǎn)為 1600 攝氏度。
Kyle-Henney說：“你試圖均勻加熱的東西并不希望被均勻加熱?！蹦軌蜃龅竭@一點(diǎn)的建模技術(shù)非常了不起。這是一項(xiàng)了不起的工作。
還有一種可策略是，不將激光固定位置，而是通過機(jī)器人移動(dòng)，這樣就可以加工更復(fù)雜的形狀。在這方面，Optek 公司在激光和機(jī)器人技術(shù)方面的專業(yè)知識(shí)發(fā)揮了重要作用。
激光輔助熱加工 MMC
激光輔助熱加工矩陣
主要潛在優(yōu)勢：航空航天可持續(xù)性、醫(yī)療設(shè)備制造
像這樣的研究項(xiàng)目總是需要實(shí)實(shí)在在的收益。在這種情況下，Kyle-Henney說，這個(gè)位于諾丁漢的項(xiàng)目肯定能滿足要求：
“我們可以為飛機(jī)起落架提供的材料只有鋼材重量的一半。我們計(jì)算過，僅這一個(gè)部件每年就能減少 6 萬噸二氧化碳排放。這相當(dāng)于僅起落架一項(xiàng)，全球飛機(jī)起落架的重量就可能減少 900 萬千噸。如果將其應(yīng)用到所有不同的部件上，將產(chǎn)生巨大的可持續(xù)發(fā)展效益。如果我們能減輕發(fā)動(dòng)機(jī)、飛機(jī)結(jié)構(gòu)和起落架的重量，就能在燃油效率方面獲得巨大收益。"
他還補(bǔ)充說："在飛機(jī)的運(yùn)營層面上，與傳統(tǒng)材料相比，成本的微小差距可以通過節(jié)省燃料在 12 到 18 個(gè)月內(nèi)收回，并在未來 20 年內(nèi)繼續(xù)為航空公司節(jié)省燃料成本?！?/p>
當(dāng)然，加工過程本身也更加高效，浪費(fèi)比傳統(tǒng)加工少得多。
“起落架的強(qiáng)度來自鍛件。這些鍛件可以長達(dá) 1.5 米，寬達(dá) 300 毫米。然而，90% 的鈦?zhàn)罱K都被加工掉，變成了金屬屑。每公斤鈦的成本是 60 英鎊，想象一下我們?nèi)拥?800 公斤或更多的高價(jià)值材料——它們都是廢物了?！?/p>
“我們的部件加工成本也較高，陶瓷纖維也增加了成本，但你只需扔掉 20 至 50 公斤，因此你可以通過減少損耗來抵消成本。這只是 10%到 20%的浪費(fèi)?！?br/>
這種材料的其他潛在應(yīng)用領(lǐng)域還包括能源行業(yè)的汽輪機(jī)，甚至是醫(yī)療行業(yè)（Attenborough公司為醫(yī)療設(shè)備生產(chǎn)陶瓷配件）。
Mark Walsh說，山高很高興能夠參與這個(gè)項(xiàng)目?！翱沙掷m(xù)發(fā)展是我們的核心價(jià)值觀之一，我們希望為節(jié)能和減少切屑廢料的解決方案做出貢獻(xiàn)，即使這意味著減少加工。我們也希望最大限度地延長刀具壽命?！?/p>
Stephen Kyle-Henney補(bǔ)充道，“如果這些高性能材料的最終用途能夠證明其用途和經(jīng)濟(jì)性，并且能夠證明生產(chǎn)效率和制造成本，我們就可以將其推向市場?！?/p>
“未來幾年，隨著產(chǎn)量的增長，我們的材料將更加標(biāo)準(zhǔn)，加工也將更加標(biāo)準(zhǔn)。這方面的潛力巨大?！?/p>
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