Comment obtenir une tolérance de haute-précision grâce au post-traitement ?

一, Principe technique : Un mécanisme de correction de tolérance qui fonctionne avec différents champs physiques pour travailler ensemble.
La technologie de post-traitement utilise les impacts combinés de champs mécaniques, chimiques, thermodynamiques et autres champs physiques pour modifier la microstructure et améliorer les performances des pièces qui ont été traitées. Il existe trois groupes principaux de ses principes clés :
Correction de l'atténuation des contraintes mécaniques
Lorsque vous usinez des pièces métalliques, celles-ci créeront des contraintes résiduelles, ce qui les fera changer de forme. Par exemple, après la fusion au laser, la tension interne des pièces en alliage de titane fabriquées par impression 3D peut atteindre 200 à 300 MPa. L'écart de tolérance pourrait être supérieur à 0,05 mm si aucune réduction des contraintes n'est effectuée. En appliquant des vibrations à une certaine fréquence (généralement entre 15 et 100 Hz), la technologie de vieillissement par vibration réorganise les grains microscopiques et accélère le taux de libération des contraintes jusqu'à plus de 85 %. Un constructeur aéronautique allemand a utilisé cette méthode et le taux de qualification des pièces de satellite est passé de 85 % à 95 %. La plage de fluctuation de tolérance a également été réduite à ± 0,003 mm.
Correction sélective de la dissolution chimique
En ajustant le taux de dissolution anodique, la technique de polissage électrolytique rend la morphologie microgéométrique de la surface plus uniforme. Par exemple, le traitement de la cavité interne de l'acier inoxydable 316L dans un électrolyte mixte d'acide phosphorique et d'acide sulfurique avec une tension de 15 V pendant 3 minutes peut abaisser la rugosité de surface de Ra2,5 μm à Ra0,4 μm et fixer l'écart de tolérance de ± 0,02 mm à ± 0,005 mm. Cette approche fonctionne mieux sur les structures complexes de la cavité interne, comme le traitement des micro-trous des injecteurs de carburant des voitures, qui peut éliminer les bavures restantes de l'usinage et garantir que l'injection de carburant est uniforme.
Correction des transitions de phase thermodynamiques
La technique de traitement thermique modifie la structure cristalline du matériau en gérant la courbe de chauffage et de refroidissement, qui fixe les tolérances dimensionnelles. Par exemple, le traitement thermique T6 (vieillissement en solution à 540 degrés + 175 degrés) peut réduire le coefficient de dilatation linéaire des pièces en alliage d'aluminium de 12 % et améliorer leur stabilité dimensionnelle de 30 %. Ce procédé est utilisé par un motoriste américain pour traiter les disques de turbine. Il réduit la plage de fluctuation de tolérance de ± 0,03 mm à ± 0,01 mm et prolonge la durée de vie en fatigue jusqu'à 2,5 fois celle d'origine.
2, Mise en œuvre du processus : des réponses exactes à chaque situation
1. Traitement d'objets métalliques imprimés en 3D
Les technologies d'impression 3D métal comme SLM et EBM peuvent créer des structures complexes, mais la rugosité de la surface est normalement de Ra10-20 μm, et il existe des problèmes comme la poudre non fondue. Pour réguler les tolérances après le traitement, vous devez faire trois choses :
Pour retirer la structure de support, utilisez la découpe au jet d'eau ou l'usinage par électroérosion (EDM). Cela empêchera la forme de changer en raison du serrage mécanique. Par exemple, GE Aviation utilise l'EDM pour retirer avec précision les supports et maintenir les erreurs de tolérance à ± 0,008 mm lors de la fabrication des injecteurs de carburant pour les moteurs LEAP.
Traitement de densification de surface : Le pressage isostatique à chaud (HIP) est utilisé sur les matériaux poreux. Après 4 heures de traitement à 1 200 degrés et 150 MPa, la porosité peut être diminuée de 5 % à 0,1 % et le taux de retrait dimensionnel peut être maintenu entre 0,3 % et 0,5 %, ce qui garantit la précision des tolérances.
Polissage de précision : en utilisant la technologie de polissage par flux abrasif, la rugosité de la cavité interne peut être réduite de Ra12 μm à Ra0,8 μm en la traitant avec un abrasif au carbure de silicium à une pression de 0,5MPa pendant 10 minutes. La fluctuation de tolérance doit rester inférieure à ± 0,005 mm.
2. Après avoir traité les composants usinés CNC
Même si l'usinage CNC peut être très précis, des éléments tels que l'usure des outils et la distorsion thermique peuvent néanmoins provoquer des erreurs de tolérance. Le post-traitement doit être intégré aux technologies suivantes :
Compensation intelligente des outils : des capteurs surveillent les variations du diamètre de l'outil en temps réel et adaptent automatiquement les itinéraires de coupe. Par exemple, le système CNC Fanuc peut fixer automatiquement les valeurs des coordonnées lorsque l'outil s'use de 0,03 mm, garantissant ainsi que la tolérance d'ouverture reste à ± 0,005 mm.
Traitement de refroidissement à basse-température : pendant le traitement, pulvérisez de l'azote liquide à -40 degrés en continu pour empêcher la température de la pièce de changer de plus de 2 degrés. Cela empêche la pièce de trop se dilater et de provoquer des variations dimensionnelles. Le taux de certification de tolérance des pièces à parois minces est passé de 78 % à 95 % après qu'une entreprise japonaise fabriquant des pièces de précision ait utilisé cette méthode.
Étalonnage avec un interféromètre laser : utilisez régulièrement un interféromètre laser pour vérifier la précision du positionnement de la machine-outil et corriger les défauts géométriques à l'aide d'algorithmes de compensation. Après calibrage, par exemple, la précision du placement spatial d'un centre d'usinage à cinq -axes peut passer de 0,015 mm/1 000 mm à 0,005 mm/1 000 mm.
3. Après traitement des pièces en matériaux composites
Après traitement, les matériaux composites (tels que les plastiques renforcés de fibre de carbone) sont susceptibles de présenter des défauts tels que le délaminage et les bavures. Le contrôle de tolérance doit être effectué par post-traitement.
Nettoyage par ultrasons : Le nettoyage par ultrasons à une fréquence de 40 kHz pendant 10 minutes permet d'éliminer plus de 90 % des résidus de transformation. Cela empêche l'incorporation de particules lors de l'assemblage de provoquer un écart de tolérance.
Polissage au laser : utilisation d'un laser nanoseconde (largeur d'impulsion 100 ns) pour micro-traiter les bords, en enlevant entre 0,001 et 0,005 mm de matériau et en fixant la variation de tolérance de ± 0,05 mm à ± 0,01 mm.
Traitement de pressage à chaud sous vide : un pressage à chaud pendant 30 minutes à 180 degrés et 5 MPa sous vide peut éliminer la concentration de contraintes dans le matériau composite et le rendre 40 % plus stable en termes de taille.
3, Application industrielle : exemples courants dans le secteur manufacturier haut de gamme-
1. Le domaine de l'aérospatiale
Une fois la technologie SLM utilisée pour fabriquer les pales du moteur du Boeing 787 Dreamliner, les étapes de post-traitement suivantes sont utilisées pour réguler les tolérances :
Pour le traitement HIP, chauffez le matériau à 1 250 degrés et 170 MPa pendant 6 heures pour éliminer les pores internes et maintenir le taux de retrait à 0,4 %.
Polissage électrolytique : utilisez un électrolyte à base de phosphate-avec une tension de 12 V pendant 5 minutes pour rendre la surface plus lisse, en passant de Ra15 μm à Ra0,2 μm, et corrigez l'écart de tolérance de ± 0,03 mm à ± 0,005 mm.
Mesure laser : une machine à mesurer à trois coordonnées (MMT) est utilisée pour vérifier les lames en taille réelle, et une ingénierie inverse est effectuée pour corriger l'itinéraire d'usinage afin que les tolérances soient correctes.
2. Dans le secteur de la construction automobile
Lors de la fabrication des corps de soupapes de transmission hybrides, Toyota utilise les méthodes de post-traitement suivantes :
Ébavurage électrolytique : Utiliser une densité de courant de 10A/cm² dans l'électrolyte NaCl pendant 2 minutes pour éliminer les bavures au niveau des trous transversaux et s'assurer de l'étanchéité du système hydraulique.
Polissage par flux abrasif : utilisez un abrasif en carbure de silicium de 800 mesh à une pression de 0,3 MPa pendant 3 minutes pour rendre la cavité interne moins rugueuse, allant de Ra3,2 μm à Ra0,4 μm, avec une plage de tolérance inférieure à ± 0,008 mm.
Détection en ligne : ajout d'un scanner laser à la ligne de traitement pour surveiller la taille de l'ouverture en temps réel, modification des paramètres de traitement en fonction du contrôle par rétroaction et augmentation du taux de réussite de la tolérance à 99,2 %.
3. Domaine des dispositifs médicaux
Les étapes de post-traitement suivantes aident Johnson&Johnson DePuy Synthes à fabriquer des cupules acétabulaires à la fois biocompatibles et précises en termes de tolérance :
Polissage électrolytique : réduisez la rugosité de surface du substrat Ti6Al4V de Ra3,2 μm à Ra0,2 μm et éliminez les particules qui n'ont pas fusionné lors du moulage SLM.
Oxydation par micro-arc : utilisez une tension de 300 V dans un électrolyte silicaté pendant 5 minutes pour créer un revêtement d'oxyde de 20 μm d'épaisseur contenant de l'hydroxyapatite. Cela rend la force de liaison osseuse 40 % plus forte et maintient l'écart de tolérance à ± 0,005 mm.
Emballage aseptique : les pièces sont stérilisées à l'oxyde d'éthylène pour s'assurer qu'elles répondent aux normes ISO 13485 avant d'être assemblées. Cela empêche la contamination de modifier la taille des pièces.