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第 5 卷- 2017 年 9 月刊
通过先进的表面工程技术与行业研究相连



图1:磨料流程加工工艺示意图


图2:(a) ARTC的机器人抛喷丸强化机和 (b) 完全模拟抛喷丸强化工艺,其具有复杂几何形状的移动工具路径,以及模型化残余应力和喷丸覆盖范围的能力


图3:冷深滚压工具,位于5轴加工中心


图4:ISO 17025认证的StressTech Xstress机器人系统 (左) 在镍盘上 (右) 进行测量


图5:航空航天部件表面工程工艺流程的一个例子


图6:模型工厂@ARTC,其包括抛喷丸强化

  表面工程团队是先进再制造与科技中心的主要技术研究团队之一,其它团队包括增材加工团队、机器人团队、维修和产品检测团队等。该团队目前由20多名具有不同教育背景和国籍的科学家和工程师组成,致力于表面加工与强化等领域的工作。这些领域包括表面精加工处理、疲劳寿命增强和机械表征。团队内存在的多样性和协同作用刺激产生了对行业中许多现有问题的创新解决方案。表面工程团队与航空航天和机械行业主要的跨国公司及设备制造商紧密合作,通过专注于不同应用中的具体技术差距,提出有创造力的解决方案,加快了从学术研究到工业应用的发展步伐。

表面精加工

  对于团队的表面处理小组来说,其所致力的关键重点领域之一是如何完成复杂的内部通道的表面精加工处理。随着近年来金属增材加工技术的飞速进步,具有复杂内部几何形状部件的制造已变为可能,而业内对于内部通道表面处理的需求也在持续增加。磨料流加工(AFM)已被业界广泛采纳为内部通道精加工的潜在解决方案之一(见图1),加工过程中,含有研磨颗粒的聚合物介质通过部件的内部通道时,可以同时实现内部通道的表面抛光及缺陷去除。小组内部对磨料流加工工艺进行了广泛的研究,以了解工艺参数与介质流动特性之间的关系,从而提供内部表面处理能力的整体解决方案给其行业合作者。着眼于长期发展,该小组还进行了了流体动力学建模,结合了工艺流程参数,为AFM过程优化与研究提供了新见解,从而使得将来的某天可以预测该过程产生的最终表面光洁度。

  表面处理小组的另一个重点领域是多种少量(HMLV)自由成形工件的外表面精加工,在获取高材料去除率的同时,实现外表面抛光。该小组在震动研磨及磨料抛光方面拥有丰富的经验,通过流程优化有效改善工件表面均匀性及工艺复现性。此外,该小组还研究了如何集成工件表面实时检测、工艺流程监控和精加工系统等不同技术,在实际工业应用中实现反馈回路控制,从而为工业4.0构想了一个强大而数字化的精加工系统。

疲劳寿命增强

  喷丸强化是用于提高部件疲劳寿命的主要技术之一。先进再制造与科技中心配备了能够处理各种金属弹丸的机器人喷丸设备(见图2a),主要用于喷丸强化工艺流程的研究与开发,并同时参与工艺培训,如‘MFN实用抛喷丸强化课程’。该设备配有ABB机器人作为喷枪运动机构及数控工件平台,通过多轴联动控制,可以实现工件曲面的喷丸加工,或是通过配置盲孔微型矛枪,实现复杂内表面的强化处理。团队里的金属表面强化小组,致力于提高下一代飞机发动机关键部件的疲劳寿命,研究各种新型弹丸的强化效果,优化工艺参数,以降低生产工艺成本。喷丸强化工艺流程的流体力学建模是小组的另一个重要研究方向。通过模拟运算,对各种喷嘴设计进行优化以达到更好的气体动力学性能,明显改善涡流现象,大幅减少压力损失。特定工件的实验结果显示,通过采用优化的喷嘴设计,工艺流程时间可缩短40%,极大的提高了工作效率。最后,小组也在进行喷丸强化的自动化研究,以减少并最终消除当前工艺中的大量人工干预,为即将到来的工业4.0做好准备。

  除了抛喷丸强化之外,团队的另一个小组专注于金属表面强化的替代技术。该小组与德国知名的深滚压(DCR)刀具生产商Ecoroll紧密合作,致力于推广深滚压技术在航空引擎部件生产上的应用。该工艺的两个主要优点是:可能通过加工硬化、质量表面光洁度和深压缩残余应力(高达1mm)来延迟疲劳裂纹的产生,以及其与现有机器人或加工平台的兼容性使得初始资本投资需求降低。该小组通过将DCR系统集成到5轴加工中心充分利用了这些优势,从而实现加工和表面增强之间的平滑过渡(见图3)。根据该小组的愿景 - 成为DCR开发的优秀中心,该小组还专注于数据连接和流程建模的自动化。这些努力终有一天会使得通过使用整个开发年代所产生的丰富数据库预测工艺结果和工艺优化成为可能。

机械表征

  表面工程过程改变表面的完整性(粗糙度、残余应力和微观结构),这又影响最终部件的寿命。为了验证和促进表面工程工艺的开发,通常执行两种类型表征,以量化残余应力和疲劳寿命。

  残余应力表征可以使用衍射或机械应力消除技术,如钻孔法和轮廓法。在衍射领域,ARTC与StressTech紧密合作,他们最近也加入了该团队,作为业界成员之一,为所有多晶金属提供可靠和一致的测量(该技术不适用于单晶)。该中心最近还通过X射线衍射法(BS EN 15305:2008)获得了ISO/IEC 17025:2005认证,从而确保可追溯所有的测量。钻孔是机械应力消除技术的一个常见例子。该技术适用于评估成品或冷加工表面。这种技术可以快速评估残余应力分布与自由表面的距离(高达1mm),为方法开发生命周期提供及时反馈。

  疲劳试验设备还可用于以不同的模式(单轴或弯曲)、控制(负载或应力)和温度(从环境温度到1000°C)进行测试。由于疲劳寿命通常是大多数结构部件的主要考虑因素,故在内部确定疲劳寿命的能力给予了该中心有关工艺开发策略的宝贵见解。

  为了确保产生的数据质量,该小组对内外部质量进行了保证。在内部,该小组积极探索各种方法以标准化各类方式以及标准化最小化测量不确定性的途径。定期参加实验室内部比较和能力测试也确保了由知名/受认可的组织产生的数据的可比性。

现实世界连续生产流程

  表面工程团队中不同表面加工与强化技术发展的主要优点之一是能够研究多个表面加工与强化过程以实现包括粗糙度、残余应力和微观结构的理想的表面完整性。在现实世界的生产中,组件在进入服务之前通常经历多个阶段的表面工程。因此,可能会在个别工艺开发中忽略各工艺之间的相互作用。例如,可以在疲劳寿命增强处理的前后对关键的航空航天部件(如图5所示)进行表面精加工。内部应力和疲劳评估加速了疲劳寿命增强工艺的发展,并确保最终产品满足所需的机械性能。这种具有真实世界生产流程的想法可以最小化在客户车间上实施技术所需的成本和研制周期。

模型工厂@ARTC

  制造业正走向工业4.0 - 第四次工业革命。该行业不再只是生产实体产品。它是物理和数字制造的融合。数据分析、数字结构、互联网(IoT)、云计算、添加剂制造和协作机器人等先进技术是工业4.0解决方案所涉的关键领域。

  为提高制造业的竞争力,ARTC正在建立一个示范工厂,作为测试平台,允许成员和本地公司学习、测试、开发和提高其在工业4.0时代的能力。模型工厂@ARTC(见图6)是A*STAR“模型工厂计划”的一部分,为企业提供学习和协作环境,以及体验和实验先进技术。ARTC的模型工厂平台将重点关注三条生产线,包括分离、添加和连续生产线,并且包括虚拟展示柜。最初的抛喷丸强化将被包括在这个模型工厂的开发中。

  表面工程团队是模型工厂测试机床的一部分,其将专注于自动化过程、实时工艺监控、工艺模拟、数据分析和基于知识的管理。



先进再制造与科技中心(ARTC)
3 CleanTech Loop, #01/01
CleanTech Two, Singapore 637143
电话:+65.6908.7900
邮箱:wongcc@artc.a-star.edu.sg
www.a-star.edu.sg/artc
 
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