(AZO Materials) - В авиационно-космической промышленности используется широкий ряд материалов благодаря своим характеристикам, таким например, как прочность, плотность и жесткость.
Примерами таких материалов являются жаропрочные сплавы на основе никеля и композиты. Но их трудно резать, и требуются специальные методы механической обработки. В результате этого алмазы используются там, где невозможно использовать обычные инструменты для достижения конечной цели производственного процесса.
Использование алмазов для увеличения срока службы инструмента и совершенствования режимов резания
Успех использования алмазных инструментов в аэрокосмической промышленности в основном обусловлен свойствами, которыми обладает этот материал и которые приводят к увеличению срока службы инструмента и совершенствованию режимов резания по сравнению с обычными материалами.
Алмаз имеет самое высокое значение твердости минералов по шкале Мооса (Mohs). Эта шкала позволяет проводить классификацию стойкости материала к появлению царапин и имеет диапазон от 1 (самый мягкий) до 10 (самый твердый).
Алмаз имеет твердость 10 по шкале Мооса, что соответствует твердости в четыре раза выше, чем у корунда (Al2O3), которая составляет 9 по шкале Мооса.
Алмазные инструменты можно создавать, используя разные материалы в зависимости от особенностей применения и требований, предъявляемых к изделию. Алмазы можно разделить на природные или синтетические. Материалы из синтетических алмазов можно разделить на разные классы: зерна и порошки, PCD (поликристаллические алмазы) и алмазы, полученные путем CVD (химического осаждения из паровой фазы).
Зерна из синтетических алмазов
Мелкие зерна алмазов и порошки синтетических алмазов (абразивы) используются в качестве абразивных материалов путем связывания их с поверхностью инструмента. Этого можно достичь различными способами в зависимости от требуемых технологических характеристик, например, скорости вращения инструмента.
Частицы алмазов могут осаждаться на поверхности инструмента либо с помощью метода электролитического осаждения, используя раствор никеля, либо с помощью спекания с использованием матрицы на основе вольфрама. Другой метод, известный под названием высокотемпературная пайка, заключается в том, что частицы алмаза напаиваются на металлическую поверхность инструмента.
Каждый из этих методов сцепления имеет соответствующие преимущества и недостатки, связанные со временем, необходимым для производства инструментов, и возможностью связующего вещества удерживать алмазные частицы в зависимости от конечных рабочих характеристик.
Инструменты с применением PCD (поликристаллического алмаза)
В инструментах с применением PCD (или вставках из поликристаллических алмазов) алмазные сегменты связаны, обычно с помощью высокотемпературной пайки, с подложкой из карбида. Элементы из PCD производятся путем спекания микронных порошков синтетических алмазов для сцепления частиц в ходе процесса, характеризующегося высокой температурой и давлением.
Этот материал производится с использованием обжига цементированного карбида, что обеспечивает нужный источник металла, обычно кобальта, для проведения процесса спекания. Во время процесса производства металл из твердосплавной карбидной подложки проникает между зернами алмаза, обеспечивая их сцепление.
Содержание металлов в инструментах с PCD обеспечивает материалу электропроводность, позволяя использовать такой процесс механообработки, как резку на EDM (электроэрозионном вырезном станке) для резки алмазных элементов.
Инструменты с использованием синтетических CVD-алмазов
Производится еще один вид синтетических алмазов с помощью метода, известного как химическое осаждение из паровой фазы (CVD). Алмазы, полученные с помощью CVD, осаждаются в виде тонких слоев на поверхности инструмента в ходе процесса при тщательном контроле условий роста.
Одним из основных преимуществ при применении этого вида синтетических алмазов является возможность получения дополнительных геометрических размеров и режущих кромок, используя материал, характеризующийся высоко предсказуемыми свойствами.
Применение алмазов в авиакосмических производственных процессах
В настоящее время алмазы используются в ряде производственных процессов в авиакосмическом машиностроении в основном благодаря их высокой износоустойчивости и способности проводить механическую обработку материалов, трудно поддающихся резке. Как уже упоминалось, алмазы можно производить разными способами, получая ряд продуктов с характеристиками, специально заданными для целей конечного применения инструментов. Они могут применяться в процессах, в которых используются инструменты с геометрическими параметрами режущей кромки (токарная обработка, фрезерование и сверление) и не геометрическими параметрами (шлифование и чистовая обработка).
Применение алмазов в механической обработке ограничивается цветными материалами. Алмаз характеризуется своим большим сродством с железом и никелем, особенно при высоких температурах. Особое внимание необходимо обратить при максимальной температуре процесса во избежание трансформации алмаза в графит из-за неустойчивого характера этого материала.
В частности, при низком давлении наблюдалась графитизация поверхности алмаза при температуре ниже 1700°C; температура преобразования может быть снижена до 400°C, если присутствуют компоненты железа.
В результате этого твердосплавные инструменты в настоящее время используются при механической обработке титановых сплавов, никелевых сплавов и нержавеющей стали с помощью инструментов, имеющих геометрические параметры режущей кромки. И наоборот, в случае с абразивными процессами такие материалы, как CBN (кубический нитрид бора), окись алюминия и SiC (карбид кремния) используются для механической обработки стали, никелевых сплавов, керамики и титановых сплавов.
Еще одной альтернативой алмазу в механической обработке материалов из черных металлов является PCBN (поликристаллический кубический нитрид бора), композитный материал, производимый путем спекания порошка CBN микронных фракций с различными видами керамики.
Процесс шлифования в авиакосмической промышленности
Одним из многих процессов, применяемых в авиакосмическом производстве, является шлифование. Эта операция позволяет получить необходимую конечную отделку поверхности и достичь точности геометрических размеров определенных компонентов, например, лопаток турбины, используя абразивные вращающиеся инструменты со специальным профилем. Алмазные абразивы играют основополагающую роль в поддержании рабочих характеристик шлифовальных кругов на оптимальном уровне.
Алмазные абразивные зерна как природных, так и синтетических алмазов, используются в ряде абразивных инструментов, известных как алмазный инструмент для правки, используемый для подготовки шлифовальных кругов. Эти инструменты используются для возвращения абразивного состояния шлифовального круга (заточка), удаляя прилипшие продукты износа с его абразивной поверхности (очистка) и восстанавливая необходимый профиль (правка).
Говоря об обычных шлифовальных инструментах, например, алюминиево-оксидном шлифовальном круге, термин «заточка» относится к операциям как правки, так и заточки. Эти два вида правильного инструмента можно различить по их движению относительно шлифовального круга: стационарных и вращающихся инструментов для правки.
Вращающиеся инструменты для правки обычно используются в производстве компонентов двигателя в аэрокосмической промышленности благодаря возможности проводить правку кругов, имеющих сложные профили, например, для хвостов лопатки турбины с ёлочными пазами.
Применение алмазов в шлифовальных и сверлильных инструментах
Алмазы, как абразивный материал, тоже используется в шлифовальных инструментах. Например, доказано, что шлифовальные круги с нанесенным гальваническим покрытием из одного слоя алмазов могут использоваться для получения хороших результатов при механической обработке большого ряда форм и размеров пазов дисков для крепления лопаток турбины в авиационно-космических двигателях.
Еще одним применением алмазов в аэрокосмической промышленности являются инструменты для зенкерования. Пустотелые алмазные сверла могут применяться при механообработке как волокнистого углепластика (CFRP, полимера, армированного углеродным волокном), так и титана. Эти две категории материалов используются для создания авиакосмических компонентов с высоким отношением прочности к весу и большой жесткостью - часто в сочетании, чтобы повысить самые выгодные характеристики каждого материала.
Растет число производственных процессов в авиационно-космической промышленности, в которых используются алмазы. В действительности высокая стоимость алмазов оправдана более долгим сроком службы и скоростью резания, что позволяет повысить производительность труда и снизить затраты, связанные с заменой инструментов.
