Un'indagine sistematica sull'ottimizzazione dei parametri del processo RUM e sulla loro influenza sulle caratteristiche delle parti del nichel 718

Nov 05, 2023

Rapporti scientifici volume 13, numero articolo: 1716 (2023) Citare questo articolo

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Questa ricerca si concentra sulla foratura di superleghe a base di nichel con punta a corona diamantata e ha identificato i parametri significativi della lavorazione rotativa ad ultrasuoni che ottimizzano la velocità di lavorazione (MR) e la qualità della superficie. Quattro parametri generali: materiale del pezzo, spessore del pezzo, materiale dell'utensile e dimensione dell'utensile; e quattro parametri RUM: rotazione dell'utensile, velocità di avanzamento, potenza degli ultrasuoni e dimensione della grana abrasiva dell'utensile sono stati testati rispetto alla qualità della superficie del taglio. I risultati hanno indicato che il valore massimo di MR di 0,8931 mm3/sec viene acquisito a un livello più elevato di rotazione dell'utensile, velocità di avanzamento, potenza ultrasonica e livello moderato di granulometria abrasiva del diamante. La rugosità superficiale minima (Ra) 0,554 µm si osserva a un livello più elevato di rotazione rotazionale, valore moderato della velocità di avanzamento, potenza ultrasonica e dimensione della grana abrasiva del diamante. Inoltre, per le funzioni a obiettivo singolo e multi-obiettivo, viene utilizzato l'approccio di ottimizzazione dello sciame di particelle (PSO) per trovare i valori ottimali per i parametri di processo. Inoltre viene utilizzato anche un microscopio elettronico a scansione per controllare la superficie lavorata dopo il RUM. Si conclude che sulla superficie lavorata si osservano microfessure.

Con lo sviluppo della tecnologia dei motori aeronautici, nei nuovi motori vengono utilizzati sempre più materiali compositi e materiali difficili da tagliare. Questa scoperta mostra che esiste una maggiore necessità di tecniche di lavorazione e capacità di componenti per la lavorazione di materiali complessi.

Le superleghe a base di nichel sono una classe unica di materiali metallici con una straordinaria combinazione di resistenza alle temperature elevate, tenacità e resistenza al deterioramento in condizioni corrosive o ossidanti1.

La Figura 1 mostra il progresso nella capacità di temperatura della superlega a base di nichel, che è aumentata di anno in anno grazie alla lavorazione avanzata, allo sviluppo della lega, all'uso di rivestimenti a barriera termica e a schemi di raffreddamento innovativi ed efficaci2. I componenti del motore aeronautico, come l'involucro, i dischi del compressore, l'anello del cuscinetto, le pale, il disco della turbina e altre parti che operano ad alta temperatura, sono realizzati con superleghe a base di nichel a causa della loro elevata resistenza, forte resistenza alla corrosione, eccellente resistenza termica proprietà di fatica e stabilità termica3. Le numerose superleghe a base di nichel utilizzate nei motori a reazione sono elencate in Fig. 2.

Lo sviluppo della capacità di temperatura di rottura per scorrimento viscoso delle superleghe a base di Ni inferiore a 1100 ℃ — 137 MPa3.

Viene utilizzato per le superleghe a base di nichel, che in genere rappresentano circa il 50% del peso di un motore a reazione.

Il 50% delle parti del motore a reazione è realizzato in Inconel 718. L'Inconel è una lega Ni–Fe–Cr4. Tuttavia, la resistenza alla trazione dell'Inconel 718 può raggiungere 1393 MPa a temperatura ambiente. La lavorazione del componente diventa difficile a causa della sua lavorabilità. Ha lavorabilità solo dell'8-20% dell'acciaio, il che porta a una lavorazione inefficiente.

Inoltre, la lavorazione di superleghe a base di nichel comporta una maggiore usura per ossidazione dell'utensile, usura adesiva, usura meccanica e per diffusione, con conseguente riduzione della durata dell'utensile. Ad esempio, la foratura grossolana e fine di una lama in superlega a base di nichel con una lunghezza di foratura media richiede più tempo. Per la lavorazione di superleghe, un'usura frequente dell'utensile è considerata il fattore diretto che limita l'efficienza della lavorazione, mentre il forte aumento di temperatura causato dalla superficie fortemente indurita da lavorare è un fattore chiave per accelerare l'usura dell'utensile5.

Secondo Habeeb et al.6, la fessurazione indotta termicamente era la ragione principale della rottura dell'utensile a velocità di taglio elevate. Ciò accade a causa del fatto che i bordi sono soggetti a una notevole quantità di shock termico a causa dell'elevata temperatura causata dalle elevate velocità di taglio e dal significativo cambiamento di temperatura7. La foratura convenzionale si trova comunemente ad affrontare alcune difficoltà a causa della localizzazione del calore nella zona di taglio derivante dall'incorporamento della punta nel pezzo. La temperatura di taglio influisce direttamente sulla precisione dimensionale del foro praticato, sulla qualità della superficie e sulla durata dell'utensile. Lofti et al. hanno utilizzato la perforazione assistita da ultrasuoni in presenza di una quantità minima di lubrificazione nanofluida per l'acciaio 1045 e hanno scoperto che a causa della riduzione del coefficiente di attrito causata dall'applicazione di vibrazioni ultrasoniche, la modalità di usura della superficie forata cambia da tipo adesivo ad abrasivo e formazione di costruito il bordo rialzato è limitato, il che si traduce in una migliore finitura superficiale8,9. Lofti et al. ha sviluppato un modello meccanicistico di deflessione del pezzo per l'alluminio 7075. Con e senza assistenza ad ultrasuoni è stata eseguita la perforazione sul pezzo. Si è riscontrato che sia nell'approccio sperimentale che in quello teorico, con l'aumento della velocità di avanzamento si provoca un aumento della deflessione del pezzo. Ciò è dovuto all'aumento dei valori della forza di spinta che è stata significativamente influenzata dal movimento di avanzamento10. Sebbene gli utensili da taglio superduri come CBN e PCBN svolgano un ruolo nel miglioramento dell'efficienza di lavorazione delle superleghe a base di nichel, gli utensili da taglio ceramici come la matrice di allumina e Si3N4 svolgono ancora un ruolo importante. Si è riscontrato che l'utensile in CBN è in grado di lavorare l'Inconel 718 rispetto all'utensile in metallo duro. Nello scenario attuale, la lavorazione rotativa a ultrasuoni (RUM) può essere impiegata per la lavorazione di materiali dalla struttura complessa e resistente come ceramica, titanio, vetro, ecc.11 La Figura 3 indica il metodo di lavorazione del RUM. Una carotatrice rotativa con abrasivi diamantati con legante metallico viene fatta vibrare ad ultrasuoni e alimentata verso il pezzo con una velocità di avanzamento costante o una forza (pressione) costante. Il refrigerante pompato attraverso il nucleo della punta lava via i trucioli, previene l'inceppamento della punta e la mantiene fresca. Esistono due meccanismi per il processo RUM: in primo luogo, mediante il processo di vibrazione ultrasonica, viene eseguita la rimozione del materiale; in secondo luogo attraverso il tradizionale processo di rettifica abrasiva diamantata. Comprende il processo di martellatura, abrasione ed estrazione per la lavorazione del RUM.