Введение
Современные условия производства изделий машиностроения, включая постоянно растущие требования к качеству изделий и экономическим затратам на их производство, стимулируют развитие методов производства, одними из которых являются аддитивные технологии. Их преимуществом являются возможность создания деталей сложных форм и рациональное использование материала, однако им свойственны и недостатки, например, низкое качество поверхности и ограничение по размеру производимых деталей, в том числе при использовании различных металлов.
Одним из методов устранения недостатков является применение ультразвука как на этапе постобработки, так и непосредственно на этапе изготовления детали. Примером технологии постобработки аддитивных деталей является ультразвуковая прокатка, а одним из наиболее известных аддитивных процессов изготовления является ультразвуковое аддитивное производство (Ultrasonic Additive Manufacturing (UAM)) − технология применения ультразвука, которая базируется на послойном выращивании детали из листов фольги на фрезерных станках с ЧПУ [1]. Данное направление можно считать развивающимся, поскольку его активная проработка идет всего лишь порядка 10 лет [2]. Также существуют технологии, в которых наложение ультразвуковых колебаний в роли вспомогательного воздействия позволяет получить повышенные механические характеристики, примером чего является воздействие ультразвука на подложку при использовании метода прямого лазерного выращивания.
Применение ультразвука как
вспомогательного воздействия
Рациональный подход предложен в [3], где наложение ультразвуковых колебаний на подложку положительно себя показывает при прямом лазерном выращивании деталей из сплава INCONEL 625. Наложение ультразвука происходит по схеме, приведенной на
рис. 1 [3].
Авторами показано, что в результате ультразвукового воздействия повышается микротвердость на 5,1 %, а также изменяется микроструктура – в процессе спекания фрагментируются крупные столбчатые дендриты, что способствует получению мелкозернистой структуры. Однако в работе малое внимание уделено ультразвуковым параметрам – таким, как амплитуда колебаний и распределение пучности колебаний, из чего не ясна степень воздействия ультразвука непосредственно на образец. Кроме того, авторами в качестве подложки была выбрана пластина габаритами 2×50×100 мм, неподвижность которой обеспечивалась за счет болтовых соединений. Однако известно, что при наложении ультразвука на сопряженные соединения снижается сила трения, в связи с чем не ясно, насколько повлиял этот эффект на результаты, полученные в работе.
Примером технологии постобработки, где ультразвук является вспомогательным фактором и воздействует непосредственно на деталь, служит аддитивное производство с использованием ультразвуковой прокатки (Ultrasonic rolling – enhanced additive manufacturing) [4]. В этом случае ультразвук накладывается сразу после наплавки по схеме, приведенной на рис. 2.
В работе [4] описано применение способа при производстве деталей из проволоки Inconel 718. Результаты показали, что микротвердость увеличивается на 42,5 %, а также улучшаются максимальный предел прочности на разрыв на 38,9% и предела текучести на
84,7 %. В качестве механизмов, обуславливающих эти результаты, авторы приводят твердорастворное и дислокационное упрочнение. Дополнительно отмечается, что в результате наложения ультразвука и последующей термообработки морфология зерен является равноосной.
Однако авторами недостаточно
ясно описаны параметры ультразвуковой обработки – так, указано, что за счет варьирования угла наклона колебательной системы можно контролировать расстояние между роликом и ванной, но не рассмотрены углы наклона и не описан выбор вышеуказанного расстояния, что может непосредственно влиять на морфологию получаемых зерен.
Еще одним направлением применения ультразвука на этапе постобработки является снижение шероховатости поверхности получаемой детали [5]. Так, при использовании кавитационно-абразивнойи кавитационно-эрозионной обработки за счет использования эффекта кавитации при жидкостной обработке достигается снижение шероховатости поверхности до 43 % от исходных значений, а также достигается либо частичное устранение дефектов поверхности (в первом случае), либо полное устранение (во втором случае). Также рассматривается влияние ультразвуковой обработки на шероховатость поверхности металлических деталей методом ППД [6] и обработки в аэрозоле растворителя деталей из ABS-пластика [6], что позволяет снизить шероховатость и повысить качество поверхности.
Ультразвуковое аддитивное производство
Наиболее известный метод применения ультразвука в аддитивном производстве, UAM, представляет собой процесс сварки заготовок из фольги. Классический процесс (рис. 3) проходит следующим образом: на подложку из фольгированного материала накладывается фольга, которая прижимается излучателем ультразвуковой колебательной системы с нормальной силой, после чего на фольгу накладывается ультразвук и начинается перемещение излучателя относительно фольги. За счет нормальной силы и возникающих быстрых перемещений излучателя разрушаются неровности на границе свариваемых материалов и рассеиваются оксиды, что позволяет создать плотный контакт материал – материал.
Вышеописанный процесс обладает некоторыми особенностями. Во-первых, температура в зоне сварки, как правило, не превышает 30…50 % от температуры плавления используемой фольги, в связи с чем возможно соединение различных материалов, в том числе получение связки углепластик ‒ металл [7]. Также становится возможным внедрение датчиков различного типа в поверхности, что невозможно при соединениях с высокими температурами. Во-вторых, поскольку процесс проходит на фрезерных станках с ЧПУ – повышаются производственные возможности за счет повышения вариативности технологических операций. В результате становится возможным изготовление деталей с закрытыми полостями путем чередования операций «сварка слоев – фрезерование».
В [7] рассматривается процесс разрушения соединений «углепластик-металл», полученных методом UAM. Авторы приходят к выводу, что можно добиться требуемого процесса разрушения – или углепластика, или металла. Проектирование процесса разрушения заключается в изменении количества слоев углепластика, вследствие чего можно получать или более высокое энергопоглощение, или повышение удельной прочности и жесткости. В [8] рассматривается сравнение композиции «армированное углеродное волокно – алюминий», полученных с помощью заклепок и методом UAM. Результаты показывают повышение эффективности поглощения энергии, требуемого усилия на смятие и пикового крутящего момента при кручении, а также повышение стабильности характеристик при осевом сжатии.
Применение UAM позволяет эффективно встраивать датчики в тело заготовки, что показано в [7]. Однако авторами признается необходимость уточнения полученных ими регрессионных моделей в части рассматриваемых параметров обработки – технологических параметров, настроек ультразвукового оборудования и применяемых материалов, из которых особое внимание уделяется амплитуде колебаний, температуре, силе прижима и скорости.
В [9] рассмотрено соединение алмаза и меди посредством UAM, что рассматривается как перспективное решение по теплоотводу в электронных системах. В сравнении с медным образцом композиция «алмаз – медь» показывает повышенную на 12 % теплопроводность, что объясняется комплексным отражением особенностей границы раздела фаз, типа кристалла и микроструктуры. Но, несмотря на большое сходство, в [9] рассматриваемых материалов, толщин фольг, параметров предварительной обработки и прочем, указанные в работах амплитуды колебаний различаются на 5 мкм, что по оценкам исследователей весьма значимо [10], а скорость сварки в 2 раза – 10 и 20 мм/с соответственно, что говорит об отсутствии рациональных критериев выбора параметров ультразвуковой обработки.
При этом во многих работах делается упор на создание «металл − волокно», в то время как еще одним перспективным направлением является применение метода для создания соединений «металл − металл».
Например, в [11] описывается использование метода UAM для проведения шовной сварки листов алюминия 6061 толщиной
1,93 мм. Дальнейшие испытания показывают, что механические характеристики полученных образцов схожи с характеристиками цельных пластин из такого же материала. при этом меньшие углы наклона и большие амплитуды обеспечивают самые высокие значения прочности в пределах рассматриваемых значений.
В [12] сравнивается два вида применения UAM для создания композиции
медь − алюминий – с предварительным нагревом листов фольги, и с электроимпульсной обработкой. В результате при электроимпульсной обработке повышается предел прочности на растяжение и относительное удлинение на 26 и 72 % соответственно, что авторы объясняют усилением обратного напряжения вследствие образования зон Гинье-Престона
и особенностями совместной деформации
«медь – алюминий».
Однако в большей части работ авторы, в рамках своих направлений исследований, придерживаются определенных «стандартных» значений параметров обработки, особенно ультразвуковых, хотя очевидно, что в различных условиях будут отличаться и особенности обработки.
Влияние параметров обработки на
механические свойства
Большая часть работ, посвященных исследованию параметров обработки при UAM, а также при ультразвуковой сварке (схожем процессе), затрагивает три параметра – усилие прижима, скорость сварки и амплитуду колебаний [10, 13 − 15].
В работе [10] рассматривается влияние на прочность композиции «титан – алюминий» основных параметров обработки: силы прижима, скорости сварки и амплитуды колебаний. В результате определено, что наиболее высокая механическая прочность соединения достигается при силе 1500 Н, скорости сварки 42 мм/с и амплитуде колебаний 30 мкм. Также рассматривается влияние амплитуды колебаний на процесс UAM при создании композиции Титан/Алюминий. Представленные результаты демонстрируют зависимость механических свойств, таких как предел прочности на растяжение, предел текучести и предел прочности на изгиб от изменения амплитуды колебаний даже в узком диапазоне 28…32 мкм. Кроме того, отмечаются преобразования кристаллической решетки в области границы раздела.
Однако в вышеуказанных работах кроме амплитуды не рассматривается иных факторов, влияющих на эффективность ультразвукового воздействия, например, частоты колебаний или формы ультразвукового излучателя. Так, в [15] отмечается, что амплитуда колебаний оказывает наибольшее влияние на коэффициент трения, который в свою очередь влияет на температуру на границе раздела фаз. Но также на трение оказывает влияние и площадь контакта, которая напрямую зависит от формы инструмента. В свою очередь, площадь контакта будет влиять и на температуру в зоне контакта, что является важной особенностью процесса UAM, когда процесс идет при сравнительно низких температурах, не позволяя проходить изменениям микроструктуры соединяемых материалов.
В [15] систематизированы параметры, влияющие на процесс ультразвуковой сварки: время сварки, амплитуда колебаний, усилие прижима, а также форма инструмента, как особо значимый параметр. Геометрия инструмента играет ключевую роль в пластической деформации и в течение материала. Вместе с тем нельзя допустить прокалывания или иных повреждений заготовок. В сравнении с ультразвуковой сваркой при UAM форма инструмента может играть более важную роль с учетом малой толщины соединяемых листов фольги. В [14] отмечается влияние усилия прижима – показано, что для повышения качества соединений, полученных ультразвуковой сваркой, и уменьшения разброса их прочностных показателей необходим контроль взаимного расположения выступов сварочного наконечника и наковальни, а также глубины их проплавления.
Стоит отметить, что в малом числе работ уделяется внимание качеству поверхности фольги перед соединением. В [13] этот фактор особо выделяется в рекомендациях к дальнейшим исследованиям и отмечается как недостаточно рассматриваемый. В [14] рассмотрено состояние поверхности деталей как фактор, влияющий на качество соединений, полученных ультразвуковой сваркой. Показано, что предварительная тонкая шлифовка обеспечивает формирование соединений с наибольшей прочностью, а использование уже грубой шлифовки снижает прочность соединения на 20 % при уменьшении энергии разрушения в 5 раз в сравнении с тонкой шлифовкой.
Перспективы применения ультразвука в аддитивном производстве
Анализируя улучшение характеристик соединений, полученных ультразвуковой сваркой, были выявлены следующие перспективные направления исследований:
1. Комбинация процессов. Перспективными выглядят комбинации ультразвукового выращивания деталей из порошковых материалов с последующей ультразвуковой прокаткой, а также UAM с ультразвуковой прокаткой.
2. Детальное исследование влияния ультразвуковых параметров обработки на свойства получаемых изделий. В частности, частоты колебаний и её изменению под нагрузкой, а также формы инструмента.
3. Изучение влияния состояния поверхности фольги на изделиях. Поскольку под действием одновременно приложенного давления и ультразвуковых вибраций происходит разрушение оксидных плёнок на поверхности металлов и образование прямого металлического контакта на атомарном уровне, вероятно, исходная шероховатость используемой фольги также будет оказывать влияние на итоговые механические характеристики получаемых соединений.
