Когда инженеры создают ракеты, самолеты или космические станции, они почти всегда выбирают алюминий. Но не простой, а специальный — аэрокосмический. Сплав 7050, о котором пойдет речь, невероятно прочен и легок, но есть у него одна особенность: обрабатывать его сложно. Представьте, что вам нужно выточить из него деталь сложной формы. Фреза вращается с бешеной скоростью, металл нагревается, и деталь может потерять свою геометрическую точность или покрыться микротрещинами.

Раньше эту проблему решали просто: заливали место резания специальной смазочно-охлаждающей жидкостью (СОЖ). Но это грязно, дорого и вредно для рабочих. Экологичный метод сухой обработки тут не подходит — деталь перегревается. А технология подачи смазки в виде микроскопических капель (ее называют MQL) хоть и помогает чуть-чуть, но не справляется с отводом тепла — у воздуха и масла слишком низкая теплопроводность.

И тут на сцену выходят нанотехнологии. Ученые решили добавить в ту самую масляную взвесь мельчайшие частицы — наноалмазы или нанотрубки. Так родилась технология NMQL — наножидкостная смазка минимального количества. Эти частицы, словно микроскопические шарики, проникают в зону резания, уменьшают трение и, что самое главное, отлично отводят тепло.

Но чтобы внедрить технологию на заводе, нужно точно понимать, с какой силой фреза давит на металл в разных режимах. Существующие математические модели либо слишком приблизительны, либо сложны для расчетов. Поэтому международная команда ученых взялась за дело. Они решили создать формулу, которая бы точно предсказывала поведение сплава 7050 при обработке с новой смазкой.

Подробности опубликованы в издании Frontiers of Mechanical Engineering.

Исследователи разобрали процесс буквально на атомы. Они представили фрезу не как целое, а как набор маленьких элементов и посмотрели, что происходит на двух участках каждого зуба фрезы: там, где он срезает стружку (передняя поверхность), и там, где он просто трется о готовую поверхность (задняя поверхность). На основе этого они вывели уравнения для расчета силы резания в сухую и с новой наносмазкой.

А чтобы формулы работали в реальности, они провели эксперименты. Влияние смазки и скорости подачи они «спрятали» в специальные коэффициенты. И результаты получились отличные. Когда ученые сравнили свои расчеты с реальными замерами, погрешность оказалась совсем небольшой: по оси X — 13%, по Y — всего 2%, по Z — 7,6%. Но главное даже не в точности прогноза. Главное — сама сила резания упала: на 21% в одном направлении, на 18% в другом. Это значит, что станок меньше нагружен, деталь получается чище и ровнее, а инструмент служит дольше.

По сути, исследователи дали производственникам не просто теорию, а рабочий инструмент. Теперь, прежде чем фрезеровать дорогую деталь для крыла самолета, технолог может заложить параметры в расчет и точно знать, что получится идеально.

Для науки эта работа ценна тем, что она связывает нанотехнологии с классической механикой обработки металлов. Исследователи показали математически, как именно наночастицы меняют физику процесса резания, и создали модель, которую могут использовать другие ученые для изучения других материалов и других видов обработки.

Для реальной жизни, то есть для промышленности, польза еще очевиднее. Представьте себе авиационный завод, который фрезерует детали для МС-21 или Sukhoi Superjet. Используя эту модель, инженеры смогут:

• Подобрать идеальный режим резания (скорость, подачу), чтобы деталь не браковалась из-за прижогов или микротрещин.
• Продлить жизнь дорогостоящим фрезам из твердого сплава, потому что нагрузка на них снизится на 20%.
• Отказаться от закупки и утилизации огромных объемов вредной смазки-охлаждения, перейдя на экологичную и экономичную технологию NMQL.
• Выпускать продукцию более высокого качества, что критически важно в авиации и космонавтике, где цена ошибки — человеческая жизнь.

При всей убедительности результатов, исследование выглядит немного камерным. Ученые провели эксперименты на одном конкретном сплаве (7050) и, судя по тексту, с одним типом фрезы и, вероятно, с одним типом наночастиц. Это не позволяет экстраполировать выводы на всю номенклатуру аэрокосмических алюминиевых сплавов, которые могут сильно различаться по химсоставу и обрабатываемости.

Более того, в модели используется «метод коэффициентов», которые подгоняются под экспериментальные данные для сухого и влажного режима. Это означает, что модель отлично работает в тех же условиях, что и эксперимент, но может давать сбой при изменении геометрии инструмента или концентрации наночастиц в смазке. Хотелось бы видеть универсальную модель, где свойства смазки (ее вязкость, теплопроводность, размер частиц) входили бы в уравнения напрямую, без необходимости каждый раз проводить новый эксперимент для калибровки.

Ранее российские ученые создали беспилотного робота для фрезерования.