Volframa sakausējumi noteikti ir inženieru "murgu materiālu" sarakstā. To augstais blīvums un cietība rada ievērojamas apstrādes problēmas, liekot katram solim justies kā smagai cīņai. Kā šo sarežģīto materiālu var pārveidot no izejmateriāla gatavā produktā ar augstu efektivitāti?
Neuztraucieties, šis nenovērtējamais "slepenais ierocis" ir klāt! Šajā rakstā tiks analizēts process no paša izejmateriālu sagatavošanas sākuma, salīdzinot pulvermetalurģijas un 3D drukāšanas priekšrocības un trūkumus, detalizēti aprakstot griešanas, slīpēšanas un stieples griešanas pamatmetodes, kā arī ieviešot visprogresīvāko tehnoloģiju, kas var palīdzēt sasniegt divreiz lielākus rezultātus ar pusi mazāk pūļu,{2}}nodrošinot rūpīgu pulvermetalurģijas un dizaina pamatu (PEP).
DAĻA.01
Ievads
Volframa sakausējumiem kā sakausējuma materiālam ar volframu kā galveno sastāvdaļu (volframa saturs parasti ir 85–99%) un tādiem pievienotiem elementiem kā niķelis, dzelzs, varš, kobalts, molibdēns un hroms, ir neaizstājama loma daudzās augsto tehnoloģiju jomās, piemēram, kodolrūpniecībā, militārajā rūpniecībā un medicīniskā aprūpe, jo to blīvums ir ārkārtīgi augsts (19 — to blīvuma dēļ. g/cm3), augsta kušanas temperatūra un lieliska mehāniskā izturība[1]. Medicīnas jomā volframa sakausējumus izmanto staru terapijas iekārtu galveno sastāvdaļu ražošanai. Pateicoties augstām blīvuma īpašībām, tie var precīzi bloķēt un veidot starus, un tie ir galvenie materiāli kolimatoru un starojuma vairogu izgatavošanai[2]. Šīs lieliskās īpašības arī rada daudzas grūtības volframa sakausējumu apstrādē un ražošanā. Šī raksta mērķis ir sistemātiski un padziļināti izpētīt volframa sakausējuma detaļu tukšo sagatavju sagatavošanas procesu un bieži lietotās apstrādes metodes, kā arī sniegt vērtīgu atsauci to precīzai ražošanai.
DAĻA.02
Volframa sakausējuma detaļu sagatavju sagatavošanas process
2.1. Pulvermetalurģijas tehnoloģija
Volframa sakausējumus ir grūti ražot, izmantojot parastos sakausējumu kausēšanas un sagatavošanas procesus, jo tiem ir augsts blīvums, augsta kušanas temperatūra un augsta cietība. Pulvermetalurģija ir tradicionāla un plaši izmantota metode volframa sakausējuma sagatavju sagatavošanai. Tās galvenie procesi ir parādīti 1. attēlā, tostarp volframa pulvera sagatavošana, sajaukšana, formēšana un saķepināšana [3]. Volframa pulvera sagatavošanas procesā, lai nodrošinātu volframa pulvera tīrību, bieži tiek izmantoti tādi procesi kā ūdeņraža reducēšana un amonjaka volframāta reducēšana. Tajā pašā laikā skābekļa saturs, daļiņu izmērs un volframa pulvera forma būtiski ietekmē sakausējuma galīgo veiktspēju un kvalitāti, un tie ir stingri jākontrolē. Pārāk augsts skābekļa saturs samazina sakausējuma veiktspēju, savukārt daļiņu izmērs un forma ietekmēs turpmāko sajaukšanas un formēšanas procesu ietekmi. Piemēram, volframa pulveris ar vienādu daļiņu izmēru palīdz maisīšanas laikā vienmērīgāk sajaukties ar citiem metāla pulveriem, nodrošinot sakausējuma sastāva konsistenci. Sajaukšanas procesā ir jānodrošina, lai dažādu metāla pulvera daļiņu izmērs būtu vienāds un proporcija būtu precīza. Precīzai sajaukšanai bieži izmanto mehānisko maisīšanu, lodīšu frēzēšanu un citas metodes. Formēšanas metodes ietver auksto izostatisko presēšanu, presēšanu ar presēšanu, pulvera ekstrūzijas formēšanu un pulvera injekcijas formēšanu utt. Ar šīm metodēm var iegūt sarežģītas formas detaļas.
1. attēls. Galvenie pulvermetalurģijas procesi volframa sakausējuma sagatavēm
Saķepināšanas process ir galvenais, lai nodrošinātu, ka volframa sakausējums sasniedz vajadzīgo blīvumu, izturību un citas īpašības. Plaši tiek izmantota divpakāpju saķepināšana [4]: pirms-saķepināšanas stadija parasti kontrolē temperatūru 1000-1200 grādu līmenī. Šajā temperatūras diapazonā metāli ar zemu -kušanas temperatūru-, piemēram, varš un dzelzs, sasniegs šķidru stāvokli un cietā{10}}fāzē difūzijā ar apkārtējām volframa pulvera daļiņām, fiksējot volframa sakausējuma pulvera daļiņu stāvokli un vienmērīgi piepildot tās, tādējādi panākot sagataves formu. Nākamā ir augstas temperatūras saķepināšanas stadija, kurā starp pulvera daļiņām notiek cietās fāzes un šķidrās fāzes reakcijas, galu galā veidojot blīvu volframa sakausējuma struktūru. Saķepināšanas temperatūras un laika kontrolei ir izšķiroša nozīme produkta darbībā. Ja saķepināšanas laiks ir pārāk garš, volframa kristāla izmērs palielināsies, ietekmējot sakausējuma blīvumu un kopējo veiktspēju; ja temperatūra ir pārāk augsta, metāli ar zemu -kušanas punktu{19}}, piemēram, varš un dzelzs, iztvaiko, samazinot sakausējuma blīvumu un mehānisko izturību. Saķepināšanas temperatūra parasti tiek kontrolēta aptuveni 1400 grādos, un iepriekšēju saķepināšanu un augstas{21}}temperatūras saķepināšanu parasti veic vakuumā vai inertās gāzes vidē, lai samazinātu sakausējumu ar zemu -kušanas temperatūru{24}} oksidēšanos un iztvaikošanu. Parasti izveidoto volframa pulvera sagatavi vispirms 1 stundu apdedzina 1200 grādos ūdeņraža atmosfērā, lai iegūtu noteiktu izturību un vadītspēju, un pēc tam veic pašizturīgu saķepināšanu, izmantojot siltumu, ko rada paša sagataves pretestība, lai vēl vairāk veicinātu saķepināšanu.
2.2. Piedevu ražošanas process
Tradicionālās pulvermetalurģijas metodes var ražot tikai sagataves ar samērā regulāru formu. Volframa sakausējuma daļām ar sarežģītām struktūrām, īpaši tām, kurām ir sarežģīti dobumi, pēc sagataves formēšanas joprojām ir nepieciešama sarežģīta apstrāde, lai beidzot atbilstu detaļu prasībām. Pašlaik nav efektīvas apstrādes un formēšanas metodes sarežģītiem slēgtiem iekšējiem dobumiem, kas ierobežo volframa sakausējuma detaļu konstrukciju. Piedevu ražošanas tehnoloģija nodrošina jaunu risinājumu volframa sakausējuma detaļu projektēšanai un izgatavošanai. Parasti izmantotās metāla piedevu ražošanas tehnoloģijas ietver selektīvo lāzerkausēšanu (SLM), lāzera stereoformēšanu (LSF), elektriskā loka piedevu ražošanu (WAAM), pulvera slāņa selektīvo lāzerkausēšanu (L-PBF) un lāzera virziena enerģijas pārklāšanu (L-DED) [5, 6]. Dažādu piedevu ražošanas procesu priekšrocību un trūkumu salīdzinājums volframa sakausējuma detaļu ražošanai ir parādīts 1. tabulā. SLM var ražot detaļas ar sarežģītu ģeometriju, taču tam ir tādas problēmas kā raupja virsma, liels starpslāņu atlikušais spriegums un ierobežots detaļu izmērs, un tas ir piemērots mazu detaļu ražošanai; LSF var iegūt smalku, viendabīgu un blīvu struktūru, uzlabot materiālu mehāniskās īpašības un izturību pret koroziju, bet, ja procesa parametri nav saskaņoti, viegli var rasties tādi defekti kā slikta saplūšana nogulsnētajā slānī; WAAM ir piemērots liela mēroga,{10}}integrētu aviācijas un kosmosa konstrukciju daļu ražošanai ar augstu formēšanas ātrumu un augstu blīvumu, taču veidoto daļu virsmas kvalitāte ir slikta. Tipiska volframa sakausējuma daļa, kas ražota ar piedevu ražošanas tehnoloģiju, ir parādīta 2. attēlā. Salīdzinot ar tradicionālo pulvermetalurģijas metodi, piedevu ražošanai ir acīmredzamas priekšrocības sarežģītu volframa sakausējuma detaļu ražošanā. Tas var ne tikai sagatavot detaļas ar sarežģītām konstrukcijām un dobumiem, lai tās atbilstu īpašām dizaina prasībām, bet arī realizēt slāni-ar-materiālu slāņa nogulsnēšanos, uzlabot materiālu izmantošanu un samazināt izmaksas[7]. 1. tabula. Dažādos piedevu ražošanas procesos ražoto volframa sakausējuma daļu priekšrocību un trūkumu salīdzinājums
a) Pret{0}}izkliedes režģis
b) porainas daļas
2. attēls. Tipiskas volframa sakausējuma detaļas, kas ražotas, izmantojot piedevu ražošanas tehnoloģiju
2.3. Procesu salīdzināšana un atlase
Pulvermetalurģija un piedevu ražošana pašlaik ir divas galvenās metodes volframa sakausējuma sagatavju ražošanai, un katrai no tām ir savas priekšrocības un trūkumi sagataves sagatavošanā. Volframa sakausējuma sagatavju sagatavošanas procesu salīdzinājums ir parādīts 2. tabulā. Pulvermetalurģija ir salīdzinoši nobriedušāka, iegūstot materiālus ar labāku blīvumu un sniedzot priekšrocības stabilā masveida ražošanā. Piedevu ražošana ir jauns process, kas izstrādāts pēdējos gados ar dažādiem atvasināto procesu ceļiem, un tam ir priekšrocības strukturālo daļu ar sarežģītiem dobumiem ražošanā.
2. tabula. Volframa sakausējuma sagatavju sagatavošanas procesu salīdzinājums
Lai sasniegtu augstāku un visaptverošu veiktspēju, volframa sakausējuma detaļām jaunākajās{0}}nozarēs, piemēram, aviācijā, aizsardzībā, kodolrūpniecībā, medicīnas iekārtās un elektronikā, parasti ir sarežģītākas konstrukcijas iezīmes, tostarp plānas sienas, izliektas virsmas un porainas struktūras, ar kurām tradicionālās pulvermetalurģijas metodes nevar tikt galā. Tīra volframa sakausējuma detaļu ražošana ar augstu-blīvumu-bez defektiem, izmantojot piedevu ražošanu, joprojām saskaras ar vairākām tehniskām problēmām. Pulvera ekstrūzijas druka (PEP), metāla netiešās 3D drukas tehnoloģija, kas apvieno 3D drukāšanu un pulvermetalurģiju, izmanto volframa sakausējuma pulveri ar saistvielu. Pulveris tiek veidots, izmantojot 3D drukāšanas aprīkojumu, un pēc tam pēc-apstrāde tiek veikta pulvermetalurģiskā atsaistīšanas un saķepināšanas ceļā, tādējādi iegūstot augsta{10}}blīvuma, augstas veiktspējas strukturālās daļas. Šī tehnoloģija nodrošina jaunu risinājumu grūtībām, kas saistītas ar volframa sakausējumu apstrādi un sarežģītu konstrukciju ražošanu. Tā zemās -temperatūras formēšanas un augstas
DAĻA.03
Volframa sakausējuma detaļu apstrāde
The high density of tungsten alloys results in enormous cutting forces on the cutting tool during machining, requiring the tool material to have high hardness and wear resistance. The tool design also needs to fully consider the distribution and balance of cutting forces. The high hardness of tungsten alloys (typically >40 HRC) nodrošina ievērojami paātrinātu instrumenta nodiluma ātrumu apstrādes laikā, ietekmējot apstrādes precizitāti un instrumenta kalpošanas laiku. Instrumenta kalpošanas laiks un apstrādes efektivitāte ir galvenie faktori, kas jāņem vērā apstrādē. Volframa sakausējumiem ir salīdzinoši zema siltumvadītspēja, un griešanas laikā radušos siltumu ir grūti ātri izkliedēt. Griešanas mala darbojas augstā temperatūrā, kas viegli rada termisko spriegumu, izraisot instrumenta deformāciju un palielinātu nodilumu [8]. Volframa sakausējuma skaidas ir granulas, kas apgrūtina skaidu noņemšanu. Tie mēdz uzkrāties griešanas zonā, veidojot skaidu malas, ietekmējot apstrādāto detaļu virsmas kvalitāti, kā arī var sabojāt instrumentu un darbgaldu. Griešanas instrumentu un procesa parametru salīdzinājums volframa sakausējuma daļām ir parādīts 3. tabulā. Inženierpraksē PCBN instrumenti ir viena no labākajām izvēlēm. Tipiskas volframa sakausējuma daļas, kas apstrādātas ar griešanu, ir parādītas 3. attēlā. 3. tabula. Griešanas instrumentu un volframa sakausējuma detaļu procesa parametru salīdzinājums 3. attēls. Tipiskas volframa sakausējuma detaļas, kas apstrādātas, griežot DAĻA.04 Volframa sakausējuma detaļu slīpēšana Slīpēšana kā mikro{14}}apstrādes materiāls ir piemērots griešanai ar augstu cietību,{1}. volframa sakausējumi. Slīpripas slīpēšana ir parādīta 4. attēlā. Slīpripa sastāv galvenokārt no abrazīviem graudiem, porām un saistvielām noteiktā proporcijā. Tās abrazīvajiem graudiņiem ir neasā leņķa raksturlielumi, parasti diapazonā no 90 grādiem līdz 120 grādiem. Volframa sakausējumu slīpēšanas procesā iegūtais slīpēšanas materiāls ir granulēts. Salīdzinoši zemās viskozitātes un stingrības dēļ skaidas ir salīdzinoši viegli noņemamas, un tās viegli neaizsprosto slīpripas poras [9]. Tāpēc, slīpējot volframa sakausējumus, var izmantot slīpripas ar lielākām porām, lai uzlabotu slīpēšanas efektivitāti un apstrādes kvalitāti. Slīpēšanas zonā ir viegli uzkrāties slīpēšanas siltums, kas var izraisīt slīpēšanas apdegumus. Lai efektīvi risinātu šo problēmu, ir jāpieņem augsta-spiediena un augstas-plūsmas piespiedu dzesēšanas pasākumi, lai savlaicīgi noņemtu slīpēšanas procesā radušos siltumu un samazinātu termisko deformāciju un termisko spriegumu slīpēšanas zonā. Parasti kā griešanas šķidrumi tiek izvēlētas emulsijas uz ūdens bāzes, lai nodrošinātu vislabāko dzesēšanas efektu. Slīpēšanas procesa parametru atlase volframa sakausējuma detaļām ir parādīta 4. tabulā. 4. attēls Slīpripas shematiskā diagramma 4. tabula Volframa sakausējuma detaļu slīpēšanas procesa parametru izvēle Tīra volframa vai volframa-niķeļa-vara sakausējuma daļām ir zems magnētisms. Detaļām ar plānām -sienām ir grūti tās droši nostiprināt ar tradicionālajām elektromagnētiskajām patronām. Sastiprināšanai var izmantot vakuuma adsorbcijas ķermeņus [10]. Vakuuma adsorbcijas pozicionēšanas armatūra volframa sakausējuma daļām ir parādīta 5. attēlā. 5. attēls. Volframa sakausējuma detaļu vakuuma adsorbcijas pozicionēšanas armatūras shematiskā diagramma
DAĻA.05
Volframa sakausējuma detaļu stiepļu EDM apstrāde
Volframa sakausējumiem ir augsts kušanas punkts un augsta cietība, un tos var apstrādāt, izmantojot augstas{0}cietības instrumentus, piemēram, instrumentus ar pārklājumu, PVD instrumentus un keramikas instrumentus. Tomēr šiem instrumentiem ir ievērojams nodilums, kas apgrūtina tādu īpašību kā poras, šauras spraugas un neregulāras formas caurumu apstrādi, izmantojot šos tradicionālos instrumentus. Vadu elektriskās izlādes apstrāde (EDM) ir īpašs apstrādes process. Tās pamatprincips ir izmantot nepārtraukti kustīgu smalku metāla elektrodu stiepli (parasti vara vai molibdēna stiepli), lai radītu impulsu dzirksteļu izlādi starp sagatavi un apstrādājamo priekšmetu. Radītā temperatūra parasti ir pat 8000–12000 grādi, kas ir pietiekama, lai izkausētu vai pat iztvaicētu volframa sakausējuma virsmas materiālu, tādējādi panākot apstrādājamās detaļas griešanu. Relatīvā kustība starp elektrodu stiepli un sagatavi ļauj visam griešanas procesam izveidot vēlamo formu uz sagataves virsmas. 6. attēlā parādīta neregulāras formas caurumu apstrāde uz volframa sakausējuma sagataves, izmantojot stiepļu EDM. Stiepļu EDM izmanto volframa sakausējuma detaļu apstrādei. Augstā temperatūra izraisa volframa sakausējuma virsmas kristāla fāzes izmaiņas griešanas laikā, kā rezultātā veidojas modificēts slānis, kas pasliktina volframa sakausējuma unikālās īpašības. Apstrādes laikā tiek izmantota metode "izgriezt-vienu-remontēt-trīs", pakāpeniski samazinot griešanas dziļumu un impulsa jaudas parametrus, lai labotu modificēto slāni.
6. attēls. Neregulāru caurumu apstrāde uz volframa sakausējuma sagataves, izmantojot stiepļu EDM
DAĻA.06
Secinājums Šajā rakstā ir pētīta un apkopota precīza volframa sakausējuma detaļu tukšā sagatavošana, izplatītās apstrādes metodes un apstrādes grūtības. Tukšajā gatavošanā pulvermetalurģija ir salīdzinoši nobriedušāka, iegūstot materiālus ar labāku blīvumu un sniedzot priekšrocības stabilā masveida ražošanā. Piedevu ražošana, salīdzinoši jauns process, kas izstrādāts pēdējos gados, ir radījis dažādus procesa ceļus, un tam ir priekšrocības, ražojot konstrukcijas daļas ar sarežģītiem dobumiem. Griešanā PCBN instrumentiem ir priekšrocības, kas nodrošina ilgu instrumenta kalpošanas laiku un samazina instrumenta nodiluma ietekmi uz apstrādes precizitāti. Slīpēšanas tehnoloģija ir izdevīga regulāru virsmu apstrādei, panākot augstāku virsmas kvalitāti. Caurumu un rievu funkcijām stieples EDM piedāvā augstu apstrādes efektivitāti. Iepriekš minētais sagatavju sagatavošanas process, kā arī griešanas, slīpēšanas un stiepļu griešanas metodes var efektīvi uzlabot precizitātes volframa sakausējuma detaļu ražošanas kvalitāti un ražošanas efektivitāti, nodrošinot tehnisko atbalstu saistīto nozaru attīstībai.
