山高技术前沿 | 激光辅助热加工：金属基复合材料加工的解决方案？

激光辅助加工能否解决金属基复合材料零件制造的难题？山高在英国开展的一个令人兴奋的项目已经找到了答案。   

近年来，钛和碳化硅铝等金属基复合材料（metal matrix composites，简称MMCs）已成为一种可提供传统金属所缺乏的低重量和高强度的理想混合材料。航空航天和汽车行业开始探索利用这些复合材料制造可降低油耗、提高可持续性和控制成本的零件。   

但 MMC 很难加工。因为它们通常含有坚硬的增强材料部分，如陶瓷颗粒或纤维，所以具有磨损性。它们包含的硬质材料被较软的基体包围，因此很难均匀加工，这意味着表面质量很差。这对如此贵重的高性能材料是不利的，而且它们容易在局部区域产生强烈的热量，导致热变形和工具很早失效。   

刀具磨损极快，加工效果差，传统的刀具加工方法根本无法胜任。多晶金刚石切削材料可以加工 MMC，但加工不到几次就会磨损。这样既昂贵又浪费。

THERMACH 项目： 

为什么激光辅助的方案可以大显身手  

答案可能就在激光辅助加工上。在欧洲 THERMACH（thermal machining，热加工）项目的支持下，山高公司、诺丁汉大学、先进材料公司 TISICS、激光专家 Optek 和 Attenborough Medical 共同参与了一项令人兴奋的研究计划，希望能够实现这一目标。

THERMACH 是一个由英国、瑞典、奥地利和加拿大参与的研究联盟，在过去的四年中一直在研究激光和感应辅助加工技术的不同方面及策略。不过，激光方面的研究前景尤为广阔。

山高公司的研发技术负责人Mark Walsh解释说：“使用热加工技术，激光会加热切削工具刃口前端的材料，从而使材料塑化或熔化，使切削刀具更容易通过。”

诺丁汉大学是该项目的研究中心，该项目由英国国家投资机构 INNOVATE UK 资助。诺丁汉大学副教授廖志荣（Dr Zhirong Liao）博士和 Omkar Mypati 是诺丁汉大学团队的主要成员。十多年来，诺丁汉大学一直在研究 MMC，包括代表航空航天业的主要企业进行研究，他们与山高有着长期的合作关系。

廖志荣说：“我们以前曾使用激光辅助加工镍合金，为航空航天工业客户取得了成功。”   

“我们已经开发出一种策略来控制激光束，并将其聚焦在相同的温度和材料分布上。这种方法非常成功，因此我们决定将其推广到更难加工的材料上。”他补充道。

研究的起源

这项特殊研究的催化剂来自于英国一家专门从事金属复合材料研究的公司 TISICS。该公司总经理Stephen Kyle-Henney同时也是 THERMACH 项目英国研究部门的项目经理。

他说：“我们一直在为航空航天领域的各种高性能应用开发钛复合材料，例如起落架。”

”通过在钛中加入碳化硅纤维增强材料，我们可以使该材料的硬度与钢相当，但强度却比单纯的钛高得多。在起落架应用中，由于陶瓷纤维的压缩特性，它实际上比钢更轻、更强。“

”它很好，因为它非常坚固，但要将其加工成最终部件的净形状却是一项挑战。因为纤维太硬，纤维的移动意味着断裂。“

Kyle-Henney 补充说，碳化硅的硬度意味着即使使用山高更高强度的硬质合金材质的刀具，磨损率也非常高，因为虽然材料在被切削，但刀尖也在被快速磨损，这在经济上是不可行的。TISICS 最初解决这个问题的办法是将纤维嵌入材料中，这样就不需要加工，但这降低了制造和维修的灵活性。

他说：“诺丁汉大学在先进加工技术方面有着悠久的历史，无论是与航空航天工业合作开发加工技术，还是与山高公司合作开发与加工技术相匹配的模具技术，都是为了优化速度、效率和质量。”

“我们提出的要求可能会让人感到意外，但团队确实做出了回应。从历史上看，当我们尝试加工它时，它看起来就像是用农田里的耙加工出来的，而不是一个工程学加工后表面！现在看起来，它确实是加工出来的。”

该项目很快就将进入最后阶段，但展望未来几年，在该解决方案可大规模扩展之前，仍有一些工作要做。Attenborough Medical 公司的 Jensen Aw 目前正在研究的一个方面是绘制热曲线图。Aw 正在分析激光如何加热材料，以及陶瓷纤维与金属的加热方式有何不同。陶瓷碳化硅纤维的熔点为 3000 摄氏度，而钛的熔点为 1600 摄氏度。

Kyle-Henney说：“你试图均匀加热的东西并不希望被均匀加热。”能够做到这一点的建模技术非常了不起。这是一项了不起的工作。

还有一种可策略是，不将激光固定位置，而是通过机器人移动，这样就可以加工更复杂的形状。在这方面，Optek 公司在激光和机器人技术方面的专业知识发挥了重要作用。

激光辅助热加工 MMC

激光辅助热加工矩阵

主要潜在优势

航空航天可持续性、医疗设备制造

像这样的研究项目总是需要实实在在的收益。在这种情况下，Kyle-Henney说，这个位于诺丁汉的项目肯定能满足要求：

“我们可以为飞机起落架提供的材料只有钢材重量的一半。我们计算过，仅这一个部件每年就能减少 6 万吨二氧化碳排放。这相当于仅起落架一项，全球飞机起落架的重量就可能减少 900 万千吨。如果将其应用到所有不同的部件上，将产生巨大的可持续发展效益。如果我们能减轻发动机、飞机结构和起落架的重量，就能在燃油效率方面获得巨大收益。"

他还补充说："在飞机的运营层面上，与传统材料相比，成本的微小差距可以通过节省燃料在 12 到 18 个月内收回，并在未来 20 年内继续为航空公司节省燃料成本。”

当然，加工过程本身也更加高效，浪费比传统加工少得多。

“起落架的强度来自锻件。这些锻件可以长达 1.5 米，宽达 300 毫米。然而，90% 的钛最终都被加工掉，变成了金属屑。每公斤钛的成本是 60 英镑，想象一下我们扔掉 800 公斤或更多的高价值材料——它们都是废物了。”

“我们的部件加工成本也较高，陶瓷纤维也增加了成本，但你只需扔掉 20 至 50 公斤，因此你可以通过减少损耗来抵消成本。这只是 10%到 20%的浪费。”

这种材料的其他潜在应用领域还包括能源行业的汽轮机，甚至是医疗行业（Attenborough公司为医疗设备生产陶瓷配件）。

Mark Walsh说，山高很高兴能够参与这个项目。“可持续发展是我们的核心价值观之一，我们希望为节能和减少切屑废料的解决方案做出贡献，即使这意味着减少加工。我们也希望最大限度地延长刀具寿命。”

Stephen Kyle-Henney补充道，“如果这些高性能材料的最终用途能够证明其用途和经济性，并且能够证明生产效率和制造成本，我们就可以将其推向市场。”

“未来几年，随着产量的增长，我们的材料将更加标准，加工也将更加标准。这方面的潜力巨大。”

（山高刀具）

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