RUM プロセスパラメータの最適化とニッケル 718 の部品特性への影響の体系的な調査

Nov 05, 2023

Scientific Reports volume 13、記事番号: 1716 (2023) この記事を引用

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メトリクスの詳細

この研究は、ダイヤモンドメタルコアドリルを使用したニッケル基超合金の穴あけに焦点を当てており、加工率（MR）と表面品質を最適化する回転超音波加工の重要なパラメータを特定しました。 4 つの一般パラメータ: ワーク材質、ワーク厚さ、工具材質、工具サイズ。 および 4 つの RUM パラメータ: 工具の回転、送り速度、超音波出力定格、および工具の砥粒サイズが、切削の表面品質に対してテストされました。 その結果,0.8931mm3/secというMRの最大値は,より高いレベルの工具回転,送り速度,超音波出力および中程度のダイヤモンド砥粒サイズで得られることがわかった。 最小表面粗さ (Ra) 0.554 μm は、より高いレベルの回転、中程度の送り速度、超音波出力、ダイヤモンド砥粒サイズで観察されます。 さらに、単一目的関数と多目的関数の場合、粒子群最適化 (PSO) アプローチを使用してプロセス パラメーターの最適値を見つけます。 さらに、RUM後の加工面の確認には走査型電子顕微鏡も活用しています。 機械加工された表面に微小亀裂が観察されると結論付けられます。

航空機エンジン技術の発展に伴い、複合材料や難削材が新しいエンジンに使用されることが増えています。 この発見は、困難な材料を加工するための加工技術とコンポーネントの機能に対するニーズが高まっていることを示しています。

ニッケル基超合金は、高温強度、靱性、および腐食または酸化条件での劣化に対する耐性を優れた組み合わせで備えた、ユニークな種類の金属材料です1。

図 1 は、先進的な加工、合金開発、遮熱コーティングの使用、革新的で効果的な冷却方式 2 により、ニッケル基超合金の温度特性の進歩を示しています。 航空機エンジンのケーシング、コンプレッサーディスク、ベアリングリング、ブレード、タービンディスク、および高温で作動するその他の部品などの部品は、高強度、強力な耐食性、優れた耐熱性を備えたニッケル基超合金で作られています。疲労特性、熱安定性3． ジェットエンジンに使用されるニッケルベースの多数の超合金を図 2 に示します。

Ni基超合金の1100℃～137MPa3におけるクリープ破断温度性能の開発。

通常、ジェット エンジンの重量の約 50% を占めるニッケルベースの超合金に使用されます。

ジェット エンジンの部品の 50% はインコネル 718 で作られています。インコネルは Ni-Fe-Cr 合金です4。 ただし、インコネル 718 の引張強度は室温で 1393 MPa に達します。 被削性により部品の加工が硬くなります。 被削性は鋼の 8 ～ 20% しかないため、加工効率が悪くなります。

さらに、ニッケル基超合金の機械加工では、工具の酸化摩耗、凝着摩耗、機械的摩耗および拡散摩耗が増加し、工具寿命が短くなります。 たとえば、中程度の穴あけ長さのニッケル基超合金ブレードの荒穴あけと微細穴あけには、より多くの時間がかかります。 超合金の加工では、頻繁な工具の摩耗が加工効率を制限する直接的な要因であると考えられていますが、加工中の重度の加工硬化表面によって引き起こされる急激な温度上昇は、工具の摩耗を促進する主な要因です5。

Habeeb et al.6 によれば、熱誘発亀裂が、高い切削速度で工具が破損する主な原因でした。 これは、速い切削速度と大きな温度変化によってもたらされる高温により、エッジがかなりの量の熱衝撃を受ける結果として起こります7。 従来の穴あけ加工では、一般に、ドリルがワークピースに埋め込まれることにより切断ゾーンに熱が集中するため、いくつかの困難に直面しています。 切削温度は、ドリル穴の寸法精度、表面品質、工具寿命に直接影響します。 ロフティら。 1045 鋼にナノ流体微量潤滑の存在下で超音波補助穴あけ加工を使用したところ、超音波振動の印加による摩擦係数の減少により、穴あけ表面の摩耗モードが粘着性タイプから研磨性タイプに変化し、構築された表面が形成されることがわかりました。 - アップエッジが制限されるため、表面仕上げが向上します8、9。 ロフティら。 は、アルミニウム 7075 のワークピースのたわみの機械モデルを開発しました。超音波支援を使用した場合と超音波支援を使用しない場合のワークピースへの穴あけ加工が実行されました。 実験的アプローチと理論的アプローチの両方で、送り速度の増加によりワークピースのたわみが増加することがわかりました。 これは、送り動作10の影響を大きく受けた推力値の増加によるものです。 CBN や PCBN などの超硬切削工具は、ニッケル基超合金の加工効率の向上にある程度の役割を果たしていますが、アルミナ マトリックスや Si3N4 などのセラミック切削工具も依然として重要な役割を果たしています。 CBN工具は超硬工具と比較してインコネル718の加工が可能であることが分かりました。 現在、回転超音波加工 (RUM) は、セラミック、チタン、ガラスなどの複雑で強靱な構造材料の加工に使用できます11。図 3 は、RUM の加工方法を示しています。 金属結合ダイヤモンド砥粒を備えた回転コアドリルは超音波振動し、一定の送り速度または一定の力（圧力）でワークピースに向かって送り込まれます。 ドリルのコアを通してポンプで送り出されたクーラントは切り粉を洗い流し、ドリルの詰まりを防ぎ、ドリルを冷却します。 RUM プロセスには 2 つのメカニズムがあります。まず、超音波振動プロセスによって材料の除去が行われます。 次に、伝統的なダイヤモンド研磨プロセスを経ます。 RUM を加工するためのハンマリング、研磨、抽出プロセスが含まれます。