激光輔助加工能否解決金屬基復合材料零件制造的難題？山高在英國開展的一個令人興奮的項目已經(jīng)找到了答案媳惦。   

近年來，鈦和碳化硅鋁等金屬基復合材料（metal matrix composites讯谎，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度的理想混合材料碎员。航空航天和汽車行業(yè)開始探索利用這些復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乘硬。   

但 MMC 很難加工烁胳。因為它們通常含有堅硬的增強材料部分，如陶瓷顆镣⒅В或纖維频鉴，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，因此很難均勻加工垛孔，這意味著表面質(zhì)量很差藕甩。這對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)生強烈的熱量周荐，導致熱變形和工具很早失效狭莱。   

刀具磨損極快，加工效果差概作，傳統(tǒng)的刀具加工方法根本無法勝任腋妙。多晶金剛石切削材料可以加工 MMC，但加工不到幾次就會磨損讯榕。這樣既昂貴又浪費骤素。

THERMACH 項目： 

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愚屁，熱加工）項目的支持下撑枯，山高公司、諾丁漢大學蛹活、先進材料公司 TISICS簇抑、激光專家 Optek 和 Attenborough Medical 共同參與了一項令人興奮的研究計劃，希望能夠?qū)崿F(xiàn)這一目標匕磅。

THERMACH 是一個由英國枢蜗、瑞典、奧地利和加拿大參與的研究聯(lián)盟晃逞，在過去的四年中一直在研究激光和感應輔助加工技術(shù)的不同方面及策略箍颗。不過，激光方面的研究前景尤為廣闊痪猿。

山高公司的研發(fā)技術(shù)負責人Mark Walsh解釋說：“使用熱加工技術(shù)几郎，激光會加熱切削工具刃口前端的材料交掌，從而使材料塑化或熔化续残，使切削刀具更容易通過∮酰”

諾丁漢大學是該項目的研究中心鸵赫，該項目由英國國家投資機構(gòu) INNOVATE UK 資助。諾丁漢大學副教授廖志榮（Dr Zhirong Liao）博士和 Omkar Mypati 是諾丁漢大學團隊的主要成員躏升。十多年來辩棒，諾丁漢大學一直在研究 MMC，包括代表航空航天業(yè)的主要企業(yè)進行研究膨疏，他們與山高有著長期的合作關(guān)系一睁。

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≌哂酰”   

“我們已經(jīng)開發(fā)出一種策略來控制激光束窘俺，并將其聚焦在相同的溫度和材料分布上。這種方法非常成功复凳，因此我們決定將其推廣到更難加工的材料上瘤泪。”他補充道育八。

研究的起源

這項特殊研究的催化劑來自于英國一家專門從事金屬復合材料研究的公司 TISICS对途。該公司總經(jīng)理Stephen Kyle-Henney同時也是 THERMACH 項目英國研究部門的項目經(jīng)理。

他說：“我們一直在為航空航天領(lǐng)域的各種高性能應用開發(fā)鈦復合材料髓棋，例如起落架锉寿。”

”通過在鈦中加入碳化硅纖維增強材料楚辆，我們可以使該材料的硬度與鋼相當芍司，但強度卻比單純的鈦高得多。在起落架應用中甜序，由于陶瓷纖維的壓縮特性抽堵，它實際上比鋼更輕、更強驹拢∑鹬遥“

”它很好，因為它非常堅固帕吆，但要將其加工成最終部件的凈形狀卻是一項挑戰(zhàn)聋芹。因為纖維太硬，纖維的移動意味著斷裂觅霉×ぬ椋“

Kyle-Henney 補充說，碳化硅的硬度意味著即使使用山高更高強度的硬質(zhì)合金材質(zhì)的刀具绑警，磨損率也非常高求泰，因為雖然材料在被切削，但刀尖也在被快速磨損计盒，這在經(jīng)濟上是不可行的渴频。TISICS 最初解決這個問題的辦法是將纖維嵌入材料中，這樣就不需要加工北启，但這降低了制造和維修的靈活性卜朗。

他說：“諾丁漢大學在先進加工技術(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)咕村，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)场钉，都是為了優(yōu)化速度、效率和質(zhì)量」渫颍”

“我們提出的要求可能會讓人感到意外春叫，但團隊確實做出了回應。從歷史上看泣港，當我們嘗試加工它時暂殖，它看起來就像是用農(nóng)田里的耙加工出來的，而不是一個工程學加工后表面墓篇！現(xiàn)在看起來粤沥，它確實是加工出來的●唬”

該項目很快就將進入最后階段索射，但展望未來幾年，在該解決方案可大規(guī)模擴展之前巧嗡，仍有一些工作要做虎铅。Attenborough Medical 公司的 Jensen Aw 目前正在研究的一個方面是繪制熱曲線圖。Aw 正在分析激光如何加熱材料恋鞋，以及陶瓷纖維與金屬的加熱方式有何不同钟骏。陶瓷碳化硅纖維的熔點為 3000 攝氏度，而鈦的熔點為 1600 攝氏度赵须。

Kyle-Henney說：“你試圖均勻加熱的東西并不希望被均勻加熱企鄙。”能夠做到這一點的建模技術(shù)非常了不起业嗅。這是一項了不起的工作倘谢。

還有一種可策略是，不將激光固定位置咒吐，而是通過機器人移動野建，這樣就可以加工更復雜的形狀。在這方面恬叹，Optek 公司在激光和機器人技術(shù)方面的專業(yè)知識發(fā)揮了重要作用候生。

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

像這樣的研究項目總是需要實實在在的收益妄呕。在這種情況下陶舞，Kyle-Henney說嗽测，這個位于諾丁漢的項目肯定能滿足要求：

“我們可以為飛機起落架提供的材料只有鋼材重量的一半绪励。我們計算過，僅這一個部件每年就能減少 6 萬噸二氧化碳排放唠粥。這相當于僅起落架一項疏魏，全球飛機起落架的重量就可能減少 900 萬千噸。如果將其應用到所有不同的部件上，將產(chǎn)生巨大的可持續(xù)發(fā)展效益大莫。如果我們能減輕發(fā)動機蛉腌、飛機結(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厨朗。"

他還補充說："在飛機的運營層面上瑟顶，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 個月內(nèi)收回淀然，并在未來 20 年內(nèi)繼續(xù)為航空公司節(jié)省燃料成本鹿腕。”

當然悔琉，加工過程本身也更加高效悼锻，浪費比傳統(tǒng)加工少得多。

“起落架的強度來自鍛件唉攻。這些鍛件可以長達 1.5 米透辜，寬達 300 毫米。然而网赤，90% 的鈦最終都被加工掉使萨，變成了金屬屑。每公斤鈦的成本是 60 英鎊族延，想象一下我們?nèi)拥?800 公斤或更多的高價值材料——它們都是廢物了喂很。”

“我們的部件加工成本也較高皆刺，陶瓷纖維也增加了成本少辣，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羡蛾。這只是 10%到 20%的浪費漓帅。”

這種材料的其他潛在應用領(lǐng)域還包括能源行業(yè)的汽輪機痴怨，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）忙干。

Mark Walsh說，山高很高興能夠參與這個項目浪藻【杵龋“可持續(xù)發(fā)展是我們的核心價值觀之一，我們希望為節(jié)能和減少切屑廢料的解決方案做出貢獻爱葵，即使這意味著減少加工施戴。我們也希望最大限度地延長刀具壽命∶日桑”

Stephen Kyle-Henney補充道赞哗，“如果這些高性能材料的最終用途能夠證明其用途和經(jīng)濟性峡哥，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蕴脯±又纾”

“未來幾年，隨著產(chǎn)量的增長曼沐，我們的材料將更加標準泛红，加工也將更加標準。這方面的潛力巨大搏贤『Ｊ颍”

（山高刀具）

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