RUM 공정 매개변수 최적화와 니켈 718의 부품 특성에 미치는 영향에 대한 체계적인 조사

Scientific Reports 13권, 기사 번호: 1716(2023) 이 기사 인용

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이 연구는 다이아몬드 금속 코어 드릴을 사용한 니켈 기반 초합금 드릴링에 초점을 맞추고 가공 속도(MR)와 표면 품질을 최적화하는 회전식 초음파 가공의 중요한 매개변수를 식별했습니다. 4가지 일반 매개변수: 공작물 재료, 공작물 두께, 공구 재료 및 공구 크기 그리고 네 가지 RUM 매개변수인 도구 회전, 공급 속도, 초음파 전력 등급 및 도구의 연마 입자 크기를 절단 표면 품질에 대해 테스트했습니다. 결과는 0.8931mm3/sec의 최대 MR 값이 더 높은 수준의 공구 회전, 이송 속도, 초음파 출력 및 중간 수준의 다이아몬드 연마 입자 크기에서 획득됨을 나타냅니다. 최소 표면 거칠기(Ra) 0.554μm는 더 높은 수준의 회전 회전, 중간 값의 공급 속도, 초음파 출력 및 다이아몬드 연마 입자 크기에서 관찰됩니다. 또한 단일 목표 및 다중 목표 기능의 경우 PSO(입자 군집 최적화) 접근 방식을 사용하여 프로세스 매개변수에 대한 최적 값을 찾습니다. 또한, RUM 이후 가공된 표면을 확인하기 위해 주사전자현미경도 활용됩니다. 가공된 표면에 미세 균열이 관찰된 것으로 결론지어졌습니다.

항공기 엔진 기술이 발전함에 따라 복합재료 및 난삭재가 새로운 엔진에 점점 더 많이 사용되고 있습니다. 이 발견은 까다로운 재료를 가공하기 위한 가공 기술과 구성 요소 기능에 대한 필요성이 더 크다는 것을 보여줍니다.

니켈 기반 초합금은 고온 강도, 인성, 부식 또는 산화 조건에서 열화에 대한 저항성이 놀라울 정도로 조합된 독특한 종류의 금속 소재입니다1.

그림 1은 고급 가공, 합금 개발, 열차폐 코팅 사용, 혁신적이고 효과적인 냉각 방식2으로 인해 해마다 증가하는 니켈 기반 초합금의 온도 성능 향상을 보여줍니다. 케이싱, 압축기 디스크, 베어링 링, 블레이드, 터빈 디스크 및 고온에서 작동하는 기타 부품과 같은 항공기 엔진 구성 요소는 높은 강도, 강한 내식성, 우수한 열적 특성으로 인해 니켈 기반 초합금으로 만들어집니다. 피로 특성 및 열 안정성3. 제트 엔진에 사용되는 수많은 니켈 기반 초합금이 그림 2에 나열되어 있습니다.

1100 ℃ - 137 MPa3 미만에서 Ni 기반 초합금의 크리프 파단 온도 성능 개발.

일반적으로 제트 엔진 중량의 약 50%를 차지하는 니켈 기반 초합금에 사용됩니다.

제트 엔진의 50% 부품은 Inconel 718로 제작됩니다. Inconel은 Ni-Fe-Cr 합금4입니다. 그러나 인코넬 718의 인장 강도는 실온에서 1393MPa에 도달할 수 있습니다. 가공성으로 인해 부품의 가공이 어려워집니다. 가공성이 강철의 8~20%에 불과해 가공 효율성이 떨어집니다.

또한 니켈 기반 초합금을 가공하면 공구 산화 마모, 접착 마모, 기계적 및 확산 마모가 증가하여 공구 수명이 단축됩니다. 예를 들어, 중간 드릴링 길이를 갖는 니켈 기반 초합금 블레이드의 거칠고 미세한 드릴링에는 더 많은 시간이 필요합니다. 초합금 가공의 경우 잦은 공구 마모는 가공 효율성을 제한하는 직접적인 요인으로 간주되며, 심하게 가공 경화된 표면의 가공으로 인한 급격한 온도 상승은 공구 마모를 가속화하는 핵심 요인입니다5.

Habeeb et al.6에 따르면 열로 인한 균열은 높은 절삭 속도에서 공구 파손의 주요 원인이었습니다. 이는 빠른 절단 속도와 상당한 온도 변화로 인한 고온으로 인해 가장자리가 상당한 양의 열 충격을 받기 때문에 발생합니다7. 기존 드릴링은 일반적으로 공작물에 드릴을 삽입함으로써 절단 영역의 열 국부화로 인해 몇 가지 어려움에 직면합니다. 절삭 온도는 드릴링된 구멍의 치수 정확도, 표면 품질 및 공구 수명에 직접적인 영향을 미칩니다. Loftiet al. 1045 강철에 나노유체 최소량 윤활이 있는 상태에서 초음파 보조 드릴링을 사용하여 초음파 진동 적용으로 인한 마찰 계수 감소로 인해 드릴링된 표면의 마모 모드가 접착 유형에서 연마 유형으로 변경되고 빌드된 형성을 발견했습니다. 위쪽 가장자리가 제한되어 표면 마감이 향상됩니다8,9. Loftiet al. 알루미늄 7075에 대한 공작물 편향의 기계적 모델을 개발했습니다. 초음파 보조를 사용하거나 초음파 보조 드릴링을 사용하지 않고 공작물에 대해 드릴링을 수행했습니다. 실험적 및 이론적 접근 방식 모두에서 이송 속도가 증가하면 공작물의 처짐이 증가하는 것으로 나타났습니다. 이는 피드 모션10에 의해 크게 영향을 받는 추력 값의 증가 때문입니다. CBN 및 PCBN과 같은 초강력 절삭 공구는 니켈 기반 초합금의 가공 효율성을 향상시키는 데 일부 역할을 하지만 알루미나 매트릭스 및 Si3N4와 같은 세라믹 절삭 공구는 여전히 중요한 역할을 합니다. CBN 공구는 초경 공구에 비해 Inconel 718 가공이 가능한 것으로 나타났습니다. 현재 시나리오에서는 세라믹, 티타늄, 유리 등과 같은 복잡하고 견고한 구조 재료의 가공에 회전식 초음파 가공(RUM)을 사용할 수 있습니다. 그림 3은 RUM의 가공 방법을 나타냅니다. 금속 결합 다이아몬드 연마재가 포함된 회전식 코어 드릴은 초음파로 진동하여 일정한 이송 속도 또는 일정한 힘(압력)으로 가공물을 향해 공급됩니다. 드릴 코어를 통해 펌핑된 절삭유는 부스러기를 씻어내고 드릴 걸림을 방지하며 드릴을 시원하게 유지합니다. RUM 프로세스에는 두 가지 메커니즘이 있습니다. 첫째, 초음파 진동 프로세스를 통해 재료 제거가 수행됩니다. 둘째, 전통적인 다이아몬드 연마 연삭 공정을 통해. 여기에는 RUM 가공을 위한 망치질, 마모 및 추출 공정이 포함됩니다.