Технология лазерного сверления для высокоточной-обработки титановых сплавов

Титановые сплавы с их высокой твердостью по Виккерсу и низкой теплопроводностью представляют собой серьезные проблемы для обычного механического сверления, включая ускоренный износ инструмента, сильную термическую деформацию и низкую точность обработки. Лазерное сверление, используя преимущества бесконтактной обработки, высокой точности и эффективности, преодолевает барьеры прецизионной обработки титановых сплавов. Это позволит перейти на-высокотехнологичное производство к микронному-уровню и интеллектуальному производству.

 

 

Лазерное сверление фокусирует лазерный луч высокой-энергии-плотности на поверхности титанового сплава, в результате чего материал мгновенно плавится, испаряется и превращается в плазму. Остатки выбрасываются газом под высоким-давлением, образуя высокоточные-отверстия. Его продвинутый характер заключается в точном контроле энергии и процессов обработки, а также в основных прорывах в итерации импульсной технологии и оптимизации режимов обработки.

 

Импульсная технология продвинулась от наносекундных до пикосекундных и фемтосекундных сверх-быстрых лазеров. Он обеспечивает прямое испарение материала, уменьшая зону термического воздействия (ЗТВ) до уровня менее 5 мкм и позволяя избежать таких дефектов, как повторно отлитые слои. Инфракрасная фемтосекундная лазерная обработка титанового сплава приводит к получению шероховатости стенок отверстий (Ra), точности диаметра отверстия ±2 мкм и повторяемости позиционирования ±1,5 мкм, что соответствует требованиям точности высокотехнологичного производства.

 

Основными режимами обработки являются ударное сверление и трепанационное сверление:

Ударное сверление контролирует глубину с помощью импульсов, что делает его высокоэффективным при массовом производстве обычных микро-отверстий;

 

Трепанирующее сверление основано на круговом относительном движении, обеспечивая превосходную форму отверстия и качество стенок, а также позволяет обрабатывать высокоточные-отверстия с соотношением сторон, превышающим 50:1. В сочетании с 5-осевой динамической фокусировкой и технологией визуального позиционирования CCD он также может обрабатывать отверстия специальной формы на сложных изогнутых поверхностях и под углами наклона менее или равными 45 градусам, с отклонением между осью отверстия и спроектированной нормальной линией менее или равным 1,5 градусам.

 

 

Источник изображения: sciencedirect о лазерном бурении

 

 

По сравнению с традиционным механическим сверлением и электроэрозионной обработкой (EDM), лазерное сверление обеспечивает техническую конкурентоспособность «четыре в одном» в области прецизионной обработки титановых сплавов «точностью, эффективностью, гибкостью и экологичностью» с комплексными преимуществами. Основными моментами являются два прорыва в области сверх-высокой эффективности и точности:

 

Мощные-волоконные лазеры в сочетании с высокочастотными-импульсами частотой 200 кГц позволяют выполнять обработку одного-отверстия за 0,05-0,5 секунды, что в 10-1000 раз эффективнее, чем электроэрозионная обработка. Производственная мощность обработки лопаток турбин авиационных двигателей увеличена более чем на 300%. Размер сфокусированного пятна меньше или равен 15 мкм, точность диаметра отверстия составляет ± 15 мкм, а округлость больше или равна 95%, что обеспечивает стабильную обработку микроотверстий в диапазоне от 0,001 мм до 1 мм, что намного точнее, чем традиционная механическая обработка.

 

Бесконтактная-обработка и полная адаптируемость к материалам расширяют границы применения: отсутствие деформации, вызванной силой резания-, подходит для титанового сплава толщиной 0,1-50 мм; Интеллектуальное переключение длин волн, компенсация градиента энергии и вспомогательный газ под высоким давлением 0,2-0,8 МПа-обеспечивают обработку сквозных отверстий без заусенцев-и напряжений-без концентрации, с ЗТВ менее или равной 50 мкм, подходит для деталей из титановых сплавов с термобарьерными покрытиями.

 

Интеллектуализация и экологичное производство сочетаются с промышленной модернизацией: оборудование объединяет искусственный интеллект и мониторинг в реальном времени-для динамической оптимизации параметров обработки, увеличивая степень квалификации диаметра отверстия до 98 % и сокращая время ручной отладки на 90 %; Использование минимального количества смазки (MQL) или сверхкритического CO₂ вместо смазочно-охлаждающих жидкостей снижает сброс сточных вод более чем на 90 %, при этом эффективность электро-оптического преобразования превышает 30 %, а удельное энергопотребление снижается на 60 %, что соответствует целям двойного выброса углерода и экологическим требованиям высокотехнологичного-производства.

 

 

Развитое применение технологии лазерного сверления меняет процессы производства компонентов из титановых сплавов в аэрокосмической отрасли, медицинских устройствах, транспортных средствах на новых источниках энергии и других областях, становясь основной технической поддержкой для массового производства ключевых компонентов.

 

В аэрокосмической области эта технология выходит за пределы производственных ограничений, связанных с компонентами с горячим-концом: фемтосекундная лазерная обработка охлаждающих отверстий в лопатках турбин из титанового сплава с термобарьерными покрытиями позволяет избежать повреждения покрытия, улучшает однородность потока охлаждающего воздуха и тепловой КПД двигателя, продлевает срок службы лопаток и повышает эффективность обработки массивов отверстий для снижения веса на обшивке фюзеляжа, способствуя облегчению самолета.

 

В области медицинского оборудования она закладывает прочный структурный фундамент для точной медицины: трехмерная-сеть сквозных-отверстий ортопедических имплантатов ускоряет остеоинтеграцию, обработка микро-канавок сердечно-сосудистых стентов увеличивает усталостный срок службы, а обработка микро-отверстий искусственных косточек сокращает хирургическое время и увеличивает скорость восстановления слуха после операции.

В области новых энергетических транспортных средств и бытовой электроники это способствует уменьшению веса продукции и повышению ее производительности: обработка корпусов силовых аккумуляторов значительно снижает остатки шлака и риски короткого-короткого замыкания, а обработка микро-отверстий биполярных пластин водородных топливных элементов существенно увеличивает производственные мощности; Обработка петель складного экрана позволяет снизить вес и продлить срок службы в сложенном состоянии, а обработка отверстий для динамиков в средних рамах мобильного телефона обеспечивает стабильные акустические характеристики.

 

 

Ruihang Group специализируется на производстве высококачественного титанового сырья для прецизионной обработки. Для более подробной информации свяжитесь с нами по электронной почте:Sam.Rui@bjrh-titanium.com

 

Ссылка:
Войзи, К.Т. и др. «Лазерное сверление». Темы ScienceDirect, Elsevier, 2010-2022, https://www.sciencedirect.com/topics/materials-science/laser-drilling.