第37届北美制造技术研讨会概况
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由美国制造工程师学会(SME)下属北美制造技术研究会举办的“第37届北美制造技术研讨会(NAMRC 37)”于2009年5月19~22日在美国南卡罗来纳州Greenville举行,克莱姆森(Clemson)大学国际汽车研究中心(CU-ICAR)担任了此次会议的东道主。学术界和制造业的领导人听取了来自13个国家研究人员所作的84篇技术报告,报告内容涉及产品的合作开发和全球制造环境,并以附近的宝马汽车公司斯帕坦堡总装厂(宝马公司唯一的美国工厂)为例进行了说明。
由美国制造工程师学会(SME)下属北美制造技术研究会举办的“第37届北美制造技术研讨会(NAMRC 37)”于2009年5月19~22日在美国南卡罗来纳州Greenville举行,克莱姆森(Clemson)大学国际汽车研究中心(CU-ICAR)担任了此次会议的东道主。学术界和制造业的领导人听取了来自13个国家研究人员所作的84篇技术报告,报告内容涉及产品的合作开发和全球制造环境,并以附近的宝马汽车公司斯帕坦堡总装厂(宝马公司唯一的美国工厂)为例进行了说明。
宝马公司的信息技术研究中心和铁姆肯公司Greenville技术中心(该公司全球12个技术中心之一)均设在CU-ICAR校园内,紧邻85号州际公路的是米其林轮胎的北美总部,附近还有几个该公司的轮胎和半成品制造部门。
来自宝马公司的Douglass Bartow和Juergen Guldner在NAMRC 37上首先发言,他们重点关注了时下的两个热点话题——企业运营的环保意识和混合动力汽车技术。油漆技术副总裁Bartow介绍了在占地371,500平米的宝马斯帕坦堡工厂全球首创的集成油漆工艺(IPP)技术。该工艺能在一个工位上又月气车进行“湿碰湿”的多次喷漆,然后在一个烘箱中烘干,从而大大节省了该厂的公用费支出一该项费用的70%都消耗在油漆车间——并且几乎不会产生油漆废弃物。Bartow介绍说,油漆喷枪喷漆量的控制如此精确和高效,以至于“在该厂油漆500 辆车的油漆用量仅相当于在自家车道上油漆一辆车的用量。”
宝马公司斯帕坦堡工厂于1994年投产,其规模已扩大了一倍,目前生产的X5和X6型SUV越野车销往世界各地,并且很决将会增加X3车型。Juergen Guldner负责即将开始的将X5混合动力车引入该厂的整合工作,但前提是不能扰乱现有生产工艺。混合动力车技术需要增加大量工作内容,但由于生产批量不大,因此将在主装线以外建造一条装配支线,用于加装混合动力车独有的部件。对于高压电池的装配,必须优先考虑技术培训和工作安全问题。
对制造领域杰出的研究成果和科研人员进行褒奖已成为NAMRC 的一项传统。“2009年NAMRI/SMES.M.Wu研究实施奖”授与西北大学的William R.D.Wilson,以表彰其为“应用表面接触基本原理分析表面峰谷与润滑膜厚度,开发金属锻压加工特别是金属轧制工艺中更精确的摩擦模型”做出的贡献;有两篇论文受到嘉奖:“金属成形工艺中工件表面凹凸的矫平”和“金属成形工艺计算机仿真中的摩擦建模策略”。" NAMRC 37杰出论文奖”授与美国国家标准技术研究所(NIST) Jarred C. Heigel和Eric P. Whitenton的论文“切削AISI 1045 钢时周期性剪切突变的高速微观最像观测”。
哥伦比亚大学的Y. Lawrence Yao和俄克拉荷马大学的Shivakumar Raman在第37届NAMRC上接受了由SME前总裁Neil A. Duffie授予的SME研究员金牌。来自ESAB北美公司的KehaiLi 、佐治亚理工学院的J. Rhett Mayor以及橡树岭国家实验室的Jun Qu还荣获了2009年度“SME John G. Bollinger杰出青年制造工程师”荣誉称号。
以下是在NAMRC 37上提交的部分论文的简介:
“切削刃半径对金刚石涂层刀具的影响”一文的研究者来自美国阿拉巴马大学、Vista工程公司和肯纳金属公司,该论文深入探讨了金刚石涂层刀具的几何参数对切削性能的影响。
作为一种尝试,通过化学气相沉积(CVD)工艺制备的金刚石涂层可取代成本更昂贵的聚晶金刚石(PCD)刀具。切削刃的几何设计对金刚石涂层刀具的影响是容易理解的。本文的研究显示,CVD金刚石涂层刀具的主要失效模式是涂层的剥落。在涂层过程中,基体与涂层间的热失配会在刀具中产生很高的残余应力。在加工过程中,高的热负荷和机械载荷以及涂层的附着力不足会导致涂层失效,尔后基体也会遭受变形和失效。
在本项目中,研究了具有不同切削刃半径的钴结合剂硬质合金切削刀片。采用有限元仿真技术,评估了沿圆形切削刃的界面应力。刀具在相同的工艺条件下涂覆金刚石涂层,涂层厚度为5~8µm,并在复合加工条件下进行了切削试验,进行了刀具磨损评估和切削力分析。试验采用的两种不同切削条件为:4m/s, 0.05mm/r; 1.3m/s, 0.15mm/r。

(a)切削刃半径5µm (4m/s, 0.05mm/r)

(b)切削刃半径65µm (4m/s, 0.05mm/r)

(c)切削刃半径5µm (1.3m/s, 0.15mm/r)

(d)切削刃半径65µm (1.3m/s, 0.15mm/r)
图1 采用不同切削刃半径和切削参数时的刀具磨损实例
在切削试验中,随着刀具磨损的逐渐增加,磨损带在一两次走刀中突然增大。研究人员认为,在加工中涂层发生了剥落,使裸露的基体快速磨损。刀具磨损和涂层剥落的发生取决于切削刃半径。基体切削刃半径为5~15µm的刀具具有相似的磨损增长曲线,而切削刃半径为65µm的刀具显示出稍好的耐磨损性,延缓了会导勤剧烈磨损的涂层剥落。切削刃半径为30µm的刀具则显示出最差的刀具寿命。在1.3m/s、0.15mm/r的切削条件下,刀具后刀面磨损带宽度随切削时间的变化曲线表明,切削刃半径5~15µm的刀具出现了磨损的快速线性增长,其刀具寿命最短。同样,切削刃半径为65µm的刀具则显示出磨损的突然加剧被明显延缓(图1)。一般而言,切削刃半径越大,耐磨性能越好。
研究还发现,沉积残余应力(主要是径向垂直分力)随着切削刃半径的增大而减小,从切削刃半径为5µm时的0.93GPa减小到切削刃半径为65µm时的0.2GPa;切削刃半径的增大也会增大切削力(主要是径向和轴向分力),而增大的幅度随进给量的增大而减小。上述综合影响导致了刀具复杂的磨损现象。特别是在1.3m/s、0.15mm/r的切削条件下,切削刃半径为65µm的刀具其寿命为半径5µm的锋利切削刃刀具的5 倍,尽管这两种半径的刀具在4m/s、0.05mm/r的切削条件下具有相似的刀具磨损结果。
金属切削液对于制造工艺至关重要。在论文“一种金属切削润滑剂在高压CO2中的溶解性及其在三种加工工艺中的效果”中,来自维吉尼亚大学和密歇根大学的研究人员探索了高压CO2在为切削区域输送润滑剂时所起的作用。
正好处于(或接近)CO2的临界压力(Pc=7.28MPa或72.8bar)和临界温度(Tc=31.1 ℃)时,CO2对于许多材料来说都是很好的溶剂,一些润滑油在CO2中也有很好的溶解性。当通过喷嘴喷射时,这些润滑剂与气体的混合物可以产生低温的润滑剂微粒及干冰,起到在切削区消除热量井减小摩擦的作用。
选择螺纹切削和成形加工进行试验,因为这些加工是润滑密集型工艺,可以高复现性地表征金属切削液的性能。试验在MiooTap Moga G8机床上进行,在10mm厚的ANSI 1018冷轧钢板上预先钻削和铰削直径5.6mm的孔,所用螺纹加工刀具为M6高速钢丝锥(60°螺旋角,三直槽),采用的攻丝扭矩测试方法为ASTM D 5619(修订版)。
通过车削加工测试刀具寿命。因为车削为连续加工,加工几何形态接近正交切削,可以简化建模工作。车削试验采用的切削用量为:切削速度46m/min,进给率0.2mm/r,切削深度1.27mm;工件采用Metal Shorts公司生产的直径152.4mm钛合金棒料,选择钛合金是因为加工时产生的热量难以控制;刀具采用美国肯纳公司的MCGNR164D刀杆配用CNGP432FS K313 牌号车刀片。
相变平衡研究显示:大豆油可溶于CO2,溶解度数据可用于预测在不同压力下切削液棍合物的成分。
用CO2切削液在不同压力下进行螺纹成形加工时测量其加工扭矩。与净大豆油相比,加入了CO2的液体油相在压力为1.7MPa(17bar)时加工扭矩明显减小;在压力为6MPa(60bar)时扭矩减小了30% ;在压力为9MPa(90bar)时,CO2液体油相的性能与净大豆油相当。性能的改善可能是源于注入CO2的大豆油具有更好的渗透性,更容易进入切屑与刀具间的接触区。对于螺纹切削加工,观察到了两个重要趋势:第一,溶解了气相CO2的大豆油雾的性能与净大豆油差不多,而气相CO2油雾的性能明显优于可溶性切削油或半合成金属切削液;第二,与传统的净大豆油相比,采用液相混合切削液可使加工扭矩减小约10%。在螺纹切削加工中,并未观察到在螺纹成形加工中存在的压力变化的影响。

图2 采用几种切削液车削钛合金;CO2加大豆油液相,气相,单纯CO2
车削试验分别采用切削液、气相CO2和大豆油进行喷雾润滑(图2)。X方向的切削力数据显示,当切削时采用大豆油与CO2混合物进行润滑时,可以明显降低切削力。与成形加工时不同,当采用液相切削液时,车削力最大;而当试验采用富含CO2的气相混合物时,车削力则有明显降低;采用单纯高压CO2喷雾冷却时,可观察到切削力降低最为显著。此外,在采用几种不同CO2混合物的条件下记录了刀具磨损状况。结果显示,在降低硬质合金刀具磨损率方面,润滑剂起到了重要作用。
结论认为,高压润滑剂和CO2喷雾冷却在取代水基金属切削液方面具有很大潜力。相对于采用传统的切削液,当针对加工方式对润滑剂输送条件进行优化后,切削力和(或)刀具寿命将得到改善。在减小切削力方面,润滑剂的相态特性比所用的润滑液数量更为重要。在车削加工中,出人意料地发现润滑油起到了重要作用;而在螺纹切削加工中,单独使用CO2的作用并不明显。

(a) 0.1mm厚天然骨切片的几何结构

(b)具有50µm厚支柱(以形成邻接层)的金属结构切片

(c)用多层金属片制成的立体结构材料
图3 具有仿生结构的金属材料
不久以前,由于用于全骸关节置换的高分子支撑材料磨损过快,使植入假体的平均使用寿命不到7年。具有更好骨面结合能力的非骨水泥型植入假体具有比骨水泥型植入假体使用寿命更长的潜力,这对于充分利用新的摩擦材料非常重要。新的植入假体取决于良好的骨面结合能力以保持良好的功能。骨面结合能力差将使得植入假体松动,并导致其需要较早更换。
在来自Notre Dame大学和Sites LLC的研究人员提交的论文“一种仿生多孔金属的制造框架”中,提出了一种对本质上与骨质具有相同微结构的金属的加工方案。该方法适用于任何金属,并可针对特殊的骨结构进行定制。此外,这种材料的硬度接近松质骨(一种具有较低的密度和强度、但有很高比表面积的骨组织,它填充在长骨的内腔中)。
为了生产这种新型多孔金属,可通过从金属薄板上去除材料而制成一个层片。首选工艺是采用激光加工,并利用化学蚀刻去除激光加工产生的溅射物和氧化物,然后将金属层片堆码在石墨模具中。既可以随机堆放,也可以通过加入定位标记精确地叠放。后一种情况可以产生复杂的三维设计图案。为了加工一个用于骨面结合的、厚度为2mm的垫片,需要采用20层厚度为0.1mm的金属层片。采用50层左右的金属层片既具有经济上的可行性,又可以获得精细的几何结构。然后关闭模具并夹紧,使金属层片承受压应力。金属层片在加热炉中产生扩散粘结,形成一种具有可控微观结构的多孔材料,这种结构被称为“支架”。
孔隙度对于支架材料非常重要。按上述方法制成的材料具有与真正的人体组织非常接近的微观结构和孔隙度。研究人员还成功生产出了具有梯度孔隙度的材料,并可以设计和制造可任意匹配刚度与孔隙度的结构。采用该方法制成的仿生支架具有与现有支架(在碳支柱上通过CVD工艺沉积担多孔材料制成)相似的材料刚度,同时具有基于骨组织的几何结构。研究人员称,他们制成的材料最接近已知的松质骨微结构,但它是用金属制成的(图3)。
本文作者:胡红兵(编译)
原载:《工具展望》2009年第6期
上载于:2012-5-21 18:07:17

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