Нетрадиционные процессы обработки:AJM, EBM, LBM и PAM | Производство

В этой статье мы обсудим нетрадиционные процессы обработки:- 1. Абразивно-струйная обработка (AJM) 2. Электронно-лучевая обработка (EBM) 3. Лазерная обработка (LBM) и 4. Плазменно-дуговая обработка (PAM). А также узнайте о:- Нетрадиционном процессе обработки, характеристиках нетрадиционного процесса обработки и классификации нетрадиционных процессов обработки.

Абразивно-струйная обработка (AJM) :

В AJM удаление материала происходит из-за попадания мелких абразивных частиц. Эти частицы движутся с высокой скоростью потока воздуха (или газа). На рисунке 6.1 показан процесс вместе с некоторыми типичными параметрами процесса. Абразивные частицы обычно имеют диаметр 0,025 мм, а воздух выходит под давлением в несколько атмосфер.

Механика A JM:

Когда абразивная частица сталкивается с рабочей поверхностью с высокой скоростью, удар вызывает крошечный хрупкий перелом, и последующий воздух (или газ) уносит смещенную небольшую частицу заготовки (частицу износа). . Это показано на рис. 6.2a и 6.2b. Таким образом, очевидно, что этот процесс больше подходит, когда рабочий материал хрупкий и хрупкий. Доступна модель для оценки скорости съема материала (MRR). MRR из-за выкрашивания рабочей поверхности ударными абразивными частицами выражается как -

где Z - количество абразивных частиц, ударяющихся в единицу времени, d - средний диаметр абразивных зерен, v - скорость абразивных зерен, ρ - плотность абразивного материала, H _w - твердость рабочего материала (напряжение течения), а X - постоянная величина.

Параметры процесса A JM :

Характеристики процесса можно оценить, оценив:(i) mrr, (ii) геометрию реза, (iii) шероховатость полученной поверхности и (iv) скорость износ сопла.

Основными параметрами, которые контролируют эти количества, являются:

(i) Абразив (состав, прочность, размер и массовый расход),

(ii) Газ (состав, давление и скорость),

(iii) Сопло (геометрия, материал, расстояние от рабочей поверхности и угол наклона).

Теперь мы обсудим каждый из этих параметров, а также их влияние:

i. Абразив:

В основном используются два типа абразивов, а именно:(i) оксид алюминия и (ii) карбид кремния. Однако в большинстве случаев предпочтительны абразивные материалы из оксида алюминия. Форма этих зерен не очень важна, но для удовлетворительного износа рабочей поверхности они должны иметь острые края. Аль ₂ О ₃ и порошки SiC с номинальным диаметром зерна 10-50 мкм. Наилучшая резка достигается при номинальном диаметре от 15 до 20 мкм.

Повторное использование абразивного порошка не рекомендуется, так как:(i) режущая способность снижается после первого нанесения, и (ii) загрязнения забивают маленькие отверстия в сопле. Массовый расход абразивных частиц зависит от давления и расхода газа. Когда массовая доля абразивов в струе (соотношение смешивания) увеличивается, mrr сначала увеличивается, но при дальнейшем увеличении соотношения смешивания она достигает максимума, а затем падает (рис. 6.3a). Когда массовый расход абразива увеличивается, mrr также увеличивается (рис. 6.3b).

ii. Газ:

Агрегаты AJM обычно работают при давлении 0,2 Н / мм ² до 1 Н / мм ² . Состав газа влияет на MRR косвенным образом, так как соотношение скорости и давления зависит от этого состава. Очевидно, что высокая скорость вызывает высокий MRR, даже если массовый расход абразива поддерживается постоянным.

iii. Насадка:

Сопло - один из важнейших элементов, контролирующих характеристики процесса. Поскольку он постоянно контактирует с абразивными зернами, текущими с высокой скоростью, материал должен быть очень твердым, чтобы избежать значительного износа. Обычно используется WC или сапфир. Для нормальной работы площадь поперечного сечения отверстия составляет 0,05 мм ² . и 0,2 мм ² .

Форма отверстия может быть круглой или прямоугольной. Средний срок службы сопла определить очень сложно. Насадка WC работает от 12 до 30 часов, тогда как сапфировая насадка длится примерно 300 часов.

Одним из наиболее важных факторов в AJM является расстояние между рабочей поверхностью и кончиком сопла, обычно называемое расстоянием до кончика сопла (NTD). NTD влияет не только на МРТ на рабочей поверхности, но также на форму и размер создаваемой полости. На рис. 6.5 показан эффект NTD. Когда NTD увеличивается, скорость абразивных частиц, падающих на рабочую поверхность, увеличивается из-за их ускорения после того, как они покидают сопло.

Это, в свою очередь, увеличивает MRR. При дальнейшем увеличении NTD скорость уменьшается из-за сопротивления атмосферы, которое сначала сдерживает увеличение mrr и, наконец, уменьшает его. На рис. 6.6 показано, как NTD влияет на mrr.

Абразивно-струйные машины производятся и продаются одним производителем (а именно, S.S. White Co., Нью-Йорк) под названием «Airbrasive».

Характеристики AJM:

Электронно-лучевая обработка (EBM):

По сути, электронно-лучевая обработка - это тоже термический процесс. Здесь поток высокоскоростных электронов сталкивается с рабочей поверхностью, в результате чего кинетическая энергия, передаваемая рабочему материалу, вызывает интенсивный нагрев. В зависимости от интенсивности генерируемого таким образом тепла материал может плавиться или испаряться. Процесс нагрева электронным лучом может, в зависимости от интенсивности, использоваться для отжига, сварки или удаления металла.

Очень высокие скорости могут быть получены при использовании достаточного напряжения; например, ускоряющее напряжение 150 000 В может вызвать скорость электронов 228 478 км / сек. Поскольку электронный луч может быть сфокусирован в точку диаметром 10-200 мкм, удельная мощность может достигать 6500 миллиардов Вт / мм ² . Такая удельная мощность способна мгновенно испарить любое вещество. Таким образом, EBM - это не что иное, как очень точно контролируемый процесс испарения. EBM - подходящий процесс для сверления мелких отверстий и прорезания узких пазов.

Отверстия диаметром 25-125 мкм можно почти мгновенно просверлить в листах толщиной до 1,25 мм. Самая узкая прорезь, которую может прорезать EBM, имеет ширину 25 мкм. Кроме того, электронный луч может перемещаться с помощью магнитных отклоняющих катушек, что упрощает обработку сложных контуров. Однако, чтобы избежать столкновения ускоряющихся электронов с молекулами воздуха, процесс должен проводиться в вакууме (около 10 ^-5 мм рт. ст.); это делает процесс непригодным для очень больших деталей.

Чтобы указать на широкий спектр применений электронного пучка, на рис. 6.69 приведен график зависимости плотности мощности от диаметра горячего пятна. Очевидно, что дальность действия электронного луча наибольшая. Вот почему электронный луч используется не только для обработки, но и для других термических процессов.

Электроны испускаются из катода (горячая вольфрамовая нить), луч формируется решеткой, и электроны ускоряются из-за большой разности потенциалов между катодом и анодом. Луч фокусируется с помощью электромагнитных линз. Отклоняющие катушки используются для любого необходимого управления движением луча.

В случае сверления отверстий диаметр отверстия зависит от диаметра луча и плотности энергии. Когда диаметр требуемого отверстия больше диаметра луча, луч отклоняется по круговой траектории с надлежащим радиусом. Большинство отверстий, просверленных с помощью EBM, имеют небольшую воронку на стороне падения луча. Просверленные отверстия также имеют небольшой конус (2–4 °) при толщине листа более 0,1 мм. Некоторое представление о характеристиках сверления отверстий с использованием EBM можно получить из таблицы 6.5.

При прорезании паза скорость обработки обычно зависит от скорости съема материала, то есть от поперечного сечения паза, который нужно прорезать. Стороны прорези в листе толщиной до 0,1 мм практически параллельны. В пазу более толстой пластины наблюдается конусность от 1 ° до 2 °. На стороне падения луча происходит небольшое разбрызгивание материала. Таблица 6.6 дает некоторое представление о режущих способностях электронного луча.

Установлено, что требуемая мощность приблизительно пропорциональна скорости съема металла. Итак, P ≈ CQ, C - константа пропорциональности. В таблице 6.7 приведены приблизительные значения C для различных рабочих материалов.

Можно очень грубо оценить скорость обработки для данных условий, используя Таблицу 6.7.

Механика EBM:

Электроны - самые маленькие стабильные элементарные частицы с массой 9,109 x 10 ^-31 кг и отрицательный заряд 1,602 x 10 ^-19 кулон. Когда электрон ускоряется через разность потенциалов в вольт, изменение кинетической энергии может быть выражено как 1 / 2m _e (u ² –U ₀ ² ) эВ, где m _e - масса электрона, u - конечная скорость, а u ₀ - начальная скорость. Если мы предположим, что начальная скорость излучающих электронов пренебрежимо мала, окончательное выражение для скорости электронов u в км / сек будет -

u ≈ 600√В (6,67)

Когда быстро движущийся электрон падает на поверхность материала, он проникает через слой без помех. Затем он начинает сталкиваться с молекулами и, в конце концов, останавливается (рис. 6.71). Слой, через который электрон беспрепятственно проникает, называется прозрачным слоем.

Только когда электрон начинает сталкиваться с атомами решетки, он начинает отдавать свою кинетическую энергию и выделяется тепло. Итак, ясно, что тепловыделение происходит внутри материала, то есть под прозрачной оболочкой. Полный диапазон, на который электрон может проникнуть (δ), зависит от кинетической энергии, то есть от ускоряющего напряжения V. Было обнаружено, что -

Где δ - диапазон в мм, V - ускоряющее напряжение в вольтах, а p - плотность материала в кг / мм ³ . .

Влияние ДМ на материалы:

Поскольку обработка электронным лучом достигается без повышения температуры окружающего материала (за исключением очень тонкого слоя), это не влияет на обрабатываемый материал. Из-за чрезвычайно высокой плотности энергии обрабатываемый материал на расстоянии 25-50 мкм от места обработки остается при комнатной температуре. Кроме того, вероятность загрязнения работы также меньше, поскольку процесс выполняется в вакууме.

Обзор характеристик EBM:

Обработка лазерным лучом (LBM) :

Подобно лучу высокоскоростных электронов, лазерный луч также способен производить очень высокую плотность мощности. Лазер представляет собой высококогерентный (в пространстве и времени) пучок электромагнитного излучения с длиной волны от 0,1 до 70 мкм. Однако потребность в мощности для операции механической обработки ограничивает эффективно используемый диапазон длин волн 0,4-0,6 мкм.

Из-за того, что лучи лазерного луча совершенно параллельны и монохроматичны, его можно сфокусировать до очень малого диаметра и получить плотность мощности до 10 ⁷ Вт / мм ² . Для выработки большой мощности обычно используется импульсный рубиновый лазер. Непрерывный СО ₂ -N ₂ лазер также успешно применялся при механической обработке.

Спиральная ксеноновая импульсная трубка помещается вокруг рубинового стержня, а внутренняя поверхность стенок контейнера имеет высокую отражающую способность, так что максимальное количество света падает на рубиновый стержень для операции откачки. Конденсатор заряжен, и на запускающий электрод подается очень высокое напряжение для инициирования вспышки. Излучаемый лазерный луч фокусируется системой линз, и сфокусированный луч встречает рабочую поверхность, удаляя небольшую часть материала путем испарения и высокоскоростной абляции.

Очень малая часть расплавленного металла испаряется так быстро, что генерируется значительный механический импульс, выбрасывающий большую часть жидкого металла. Поскольку энергия, выделяемая импульсной трубкой, намного превышает энергию, излучаемую лазерной головкой в ​​виде лазерного луча, систему необходимо надлежащим образом охлаждать.

Эффективность процесса LBM очень низкая - около 0,3-0,5%. Типичная выходная энергия лазера составляет 20 Дж при длительности импульса 1 миллисекунда. Пиковая мощность достигает 20 000 Вт. Расходимость луча составляет примерно 2 x 10 ^-3 . рад, а при использовании линзы с фокусным расстоянием 25 мм диаметр пятна становится около 50 мкм.

Подобно электронному лучу, лазерный луч также используется для сверления микроотверстий и прорезания очень узких щелей. Отверстия диаметром до 250 мкм легко просверливаются лазером. Точность размеров составляет около ± 0,025 мм. Когда толщина заготовки превышает 0,25 мм, наблюдается конусность 0,05 мм на мм.

Механика LBM:

Обработка лазерным лучом осуществляется в следующие этапы:

(i) Взаимодействие лазерного луча с рабочим материалом,

(ii) теплопроводность и повышение температуры, и

Точный анализ всего процесса затруднен и выходит за рамки этого текста. Мы, однако, обсудим некоторые простые аспекты, имеющие фундаментальное значение, рассматривая только повышение температуры рабочего материала до точки плавления; испарение и абляция не будут приниматься во внимание в нашем анализе.

(i) Взаимодействие лазерного луча с работой:

Применение лазерного луча при обработке зависит от термооптического взаимодействия между лучом и твердым обрабатываемым материалом. Таким образом, очевидно, что рабочая поверхность не должна отражать слишком много энергии падающего луча. На рис. 6.74 показан лазерный луч, падающий на твердую поверхность. Поглощенный свет распространяется в среду, и его энергия постепенно передается атомам решетки в виде тепла. Поглощение описывается законом Ламберта как -

I (Z) =I (0) e ^{- мкЗ}

Где I (z) обозначает интенсивность света на глубине z (рис. 6.74), а μ - коэффициент поглощения. Большая часть энергии поглощается очень тонким слоем на поверхности (типичная толщина 0,01 мкм). Итак, вполне разумно предположить, что поглощенная световая энергия преобразуется в тепло на самой поверхности, и лазерный луч можно считать эквивалентным тепловому потоку.

(ii) теплопроводность и повышение температуры:

Повторное излучение от поверхности при температуре 3000 K составляет всего лишь 600 Вт / см ² и это ничтожно мало по сравнению с входным потоком 10 ⁵ -10 ⁷ Вт / см ² . Чтобы сделать наш анализ одномерным, предполагается, что диаметр пятна луча больше глубины проникновения. Также считается, что тепловые свойства, например проводимость и удельная теплоемкость, не зависят от изменения температуры.

Итак, эквивалентная задача теплопроводности представлена ​​однородным тепловым потоком H (t) на поверхности (рис. 6.75) полубесконечного тела. Уравнение теплопроводности для области z> 0 имеет вид -

Устойчивое проникновение в отверстие :

Определение размеров расплавленной части материала довольно сложно. Однако, если расплавленная яма (или отверстие) глубокая и узкая, большая часть теплопроводности от расплавленной лунки происходит через боковые стенки. Когда скорость подводимого тепла равна скорости потери тепла расплавленной частью, она сохраняет свою форму и размер. В таком устойчивом состоянии скорость потери тепла расплавленной частью (рис. 6.77) определяется как -

Из опыта. было обнаружено, что D ≈ 55d. Таким образом, In (D / d) можно приблизительно принять равным 4, и, приравнивая скорость подводимого тепла к скорости потери тепла, мы получаем соотношение -

Когда интенсивность луча очень высока (> 10 ⁷ Вт / см ² ), нагрев происходит очень быстро, и только что приведенный механизм не работает. Падающий луч быстро нагревает поверхность и испаряет ее. Таким образом, поверхность работы, на которую падает луч, сужается по мере испарения материала. Таким образом, если v - скорость, с которой поверхность удаляется, скорость подводимого тепла, необходимого для испарения материала (равного скорости подводимого тепла от падающего луча), равна-

H ≈ vL, (6,82)

Где L - количество энергии для испарения единицы объема материала.

Сводка характеристик LBM:

Плазменно-дуговая обработка (PAM) :

Плазма - это высокотемпературный ионизированный газ. Плазменно-дуговая обработка выполняется с помощью высокоскоростной струи высокотемпературной плазмы. Плазменная струя нагревает заготовку (там, где на нее падает струя), вызывая быстрое плавление. PAM можно использовать на всех материалах, проводящих электричество, в том числе на тех, которые устойчивы к газокислородной резке. Этот процесс широко используется для профильной резки листов из нержавеющей стали, монеля и суперсплавов.

Плазма создается при воздействии на поток газа электронной бомбардировки дуги. Для этого между электродом и анодным соплом создается дуга; газ вынужден проходить через эту дугу.

Высокоскоростные электроны дуги сталкиваются с молекулами газа, вызывая диссоциацию двухатомных молекул или атомов на ионы и электроны, что приводит к значительному увеличению проводимости газа, который сейчас находится в состояние плазмы. Свободные электроны впоследствии ускоряются и вызывают еще большую ионизацию и нагрев. После этого происходит дальнейшее повышение температуры, когда ионы и свободные электроны рекомбинируют в атомы или когда атомы рекомбинируют в молекулы, поскольку это экзотермические процессы.

Таким образом, создается высокотемпературная плазма, которая проходит через сопло в виде струи. Механика удаления материала основана на:(i) нагреве и плавлении и (ii) удалении расплавленного металла под действием струи плазмы.

Подробнее см. стандартные справочники и справочники. Здесь мы перечислим основные характеристики, чтобы ознакомить читателя с процессом.

Обзор характеристик PAM: