激光輔助加工能否解決金屬基復(fù)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。近年來，鈦和碳化硅鋁等金屬基復(fù)合材料（metal matrix composites，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。航空航天和汽車行業(yè)開始探索利用這些復(fù)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。但 MMC 很難加工。因為它們通常含有堅硬的增強材料部分，如陶瓷顆粒或纖維，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，這意味著表面質(zhì)量很差。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，導(dǎo)致熱變形和工具很早失效。刀具磨損極快，加工效果差，傳統(tǒng)的刀具加工方法根本無法勝任。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。這樣既昂貴又浪費。

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，熱加工）項目的支持下，山高公司、諾丁漢大學(xué)、先進(jìn)材料公司 TISICS、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(biāo)。

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

山高公司的研發(fā)技術(shù)負(fù)責(zé)人Mark Walsh解釋說：“使用熱加工技術(shù)，激光會加熱切削工具刃口前端的材料，從而使材料塑化或熔化，使切削刀具更容易通過。”

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

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。”   

“我們已經(jīng)開發(fā)出一種策略來控制激光束，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，因此我們決定將其推廣到更難加工的材料上?！彼a充道。

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(fù)合材料研究的公司 TISICS。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(yīng)用開發(fā)鈦復(fù)合材料，例如起落架。”

”通過在鈦中加入碳化硅纖維增強材料，我們可以使該材料的硬度與鋼相當(dāng)，但強度卻比單純的鈦高得多。在起落架應(yīng)用中，由于陶瓷纖維的壓縮特性，它實際上比鋼更輕、更強?！?/p>

”它很好，因為它非常堅固，但要將其加工成最終部件的凈形狀卻是一項挑戰(zhàn)。因為纖維太硬，纖維的移動意味著斷裂?！?/p>

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，磨損率也非常高，因為雖然材料在被切削，但刀尖也在被快速磨損，這在經(jīng)濟上是不可行的。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，但這降低了制造和維修的靈活性。

他說：“諾丁漢大學(xué)在先進(jìn)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)，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)，都是為了優(yōu)化速度、效率和質(zhì)量?！?/p>

“我們提出的要求可能會讓人感到意外，但團隊確實做出了回應(yīng)。從歷史上看，當(dāng)我們嘗試加工它時，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(xué)加工后表面！現(xiàn)在看起來，它確實是加工出來的?！?/p>

該項目很快就將進(jìn)入最后階段，但展望未來幾年，在該解決方案可大規(guī)模擴展之前，仍有一些工作要做。Attenborough Medical 公司的 Jensen Aw 目前正在研究的一個方面是繪制熱曲線圖。Aw 正在分析激光如何加熱材料，以及陶瓷纖維與金屬的加熱方式有何不同。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。

Kyle-Henney說：“你試圖均勻加熱的東西并不希望被均勻加熱?！蹦軌蜃龅竭@一點的建模技術(shù)非常了不起。這是一項了不起的工作。

還有一種可策略是，不將激光固定位置，而是通過機器人移動，這樣就可以加工更復(fù)雜的形狀。在這方面，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。

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。在這種情況下，Kyle-Henney說，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。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。這相當(dāng)于僅起落架一項，全球飛機起落架的重量就可能減少 900 萬千噸。如果將其應(yīng)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。如果我們能減輕發(fā)動機、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。"

他還補充說："在飛機的運營層面上，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，并在未來 20 年內(nèi)繼續(xù)為航空公司節(jié)省燃料成本?！?/p>

當(dāng)然，加工過程本身也更加高效，浪費比傳統(tǒng)加工少得多。

“起落架的強度來自鍛件。這些鍛件可以長達(dá) 1.5 米，寬達(dá) 300 毫米。然而，90% 的鈦最終都被加工掉，變成了金屬屑。每公斤鈦的成本是 60 英鎊，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?！?/p>

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

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

Mark Walsh說，山高很高興能夠參與這個項目?！翱沙掷m(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(xiàn)，即使這意味著減少加工。我們也希望最大限度地延長刀具壽命?！?/p>

Stephen Kyle-Henney補充道，“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，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?！?/p>

“未來幾年，隨著產(chǎn)量的增長，我們的材料將更加標(biāo)準(zhǔn)，加工也將更加標(biāo)準(zhǔn)。這方面的潛力巨大?！?/p>