Исследование неконвенциональной обработки: методы АИЖМ, ЭЛБМ, ЛБМ и ПАМ

В этой статье мы обсудим неконвенциональные процессы обработки: 1. Абразивно-струйная обработка (АЖМ) 2. Электронно-лучевая обработка (ЭЛБМ) 3. Лазерно-лучевая обработка (ЛБМ) и 4. Плазменно-дуговая обработка (ПАМ). Также узнаем о: Неконвенциональном процессе обработки, Характеристиках неконвенциональных процессов обработки и Классификации неконвенциональных процессов обработки.

Абразивно-струйная обработка (АЖМ)

В АЖМ удаление материала происходит за счет удара мелких абразивных частиц. Эти частицы движутся с высокой скоростью в потоке воздуха (или газа). Рисунок 6.1 показывает процесс вместе с типичными параметрами. Абразивные частицы обычно имеют диаметр 0,025 мм, а воздух вытесняется под давлением нескольких атмосфер.

Механика АЖМ:

Когда абразивная частица ударяет в рабочую поверхность с высокой скоростью, удар вызывает крошечный хрупкий разрыв, а последующий воздух (или газ) уносит отдолененную малую частицу заготовки (частицу износа). Это показано на рис. 6.2а и 6.2б. Таким образом, очевидно, что процесс более подходит, когда материал заготовки хрупкий и ломкий. Доступна модель для оценки скорости удаления материала (SRM). SRM из-за сколов на рабочей поверхности ударяющими абразивными частицами выражается как:

где Z — количество абразивных частиц, ударяющих в единицу времени, d — средний диаметр абразивных зерен, v — скорость абразивных зерен, ρ — плотность абразивного материала, H_w — твердость материала заготовки (текучее напряжение), и X — константа.

Параметры процесса АЖМ:

Характеристики процесса можно оценить, судя по — (i) SRM, (ii) геометрии разреза, (iii) шероховатости полученной поверхности и (iv) скорости износа сопла.

Основные параметры, контролирующие эти величины:

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

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

(iii) Сопло (геометрия, материал, расстояние от и наклон к рабочей поверхности).

Теперь обсудим каждый из этих параметров и их эффекты:

i. Абразив:

В основном используются два типа абразивов: (i) оксид алюминия и (ii) карбид кремния. Однако обычно оксид алюминия предпочитается в большинстве применений. Форма этих зерен не очень важна, но для удовлетворительного действия износа на рабочей поверхности они должны иметь острые края. Порошки Al₂O₃ и SiC с номинальным диаметром зерна 10–50 мкм доступны. Лучшая резка достигается, когда номинальный диаметр находится между 15 и 20 мкм.

Повторное использование абразивного порошка не рекомендуется, так как — (i) режущая способность снижается после первого применения, и (ii) загрязнение забивает маленькие отверстия в сопле. Массовый расход абразивных частиц зависит от давления и расхода газа. Когда массовая доля абразивов в струе (соотношение смешивания) увеличивается, SRM сначала увеличивается, но с дальнейшим увеличением соотношения смешивания достигает максимума, а затем падает (Рис. 6.3а). Когда массовый расход абразива увеличивается, SRM также увеличивается (Рис. 6.3б).

ii. Газ:

Установки АЖМ обычно работают при давлении 0,2–1 Н/мм². Состав газа влияет на SRM косвенным образом, так как соотношение скорость-давление зависит от этого состава. Высокая скорость очевидно вызывает высокую SRM даже если массовый расход абразива постоянный.

iii. Сопло:

Сопло — один из самых жизненно важных элементов, контролирующих характеристики процесса. Поскольку оно непрерывно контактирует с абразивными зернами, текущими с высокой скоростью, материал должен быть очень твердым, чтобы избежать значительного износа. Обычно используют ВК или сапфир. Для нормальной операции площадь сечения отверстия находится между 0,05 и 0,2 мм².

Форма отверстия может быть круглой или прямоугольной. Средний срок службы сопла трудно определить. Сопло из ВК служит 12–30 часов, в то время как сапфировое — примерно 300 часов.

Одним из самых важных факторов в АЖМ является расстояние между рабочей поверхностью и концом сопла, обычно называемое Расстоянием кончика сопла (NTD). NTD влияет не только на SRM с рабочей поверхности, но также на форму и размер полости. Рисунок 6.5 показывает эффект NTD. Когда NTD увеличивается, скорость абразивных частиц, ударяющих в рабочую поверхность, увеличивается из-за их ускорения после выхода из сопла.

Это, в свою очередь, увеличивает SRM. С дальнейшим увеличением NTD скорость снижается из-за сопротивления атмосферы, которое сначала сдерживает увеличение SRM, а затем уменьшает его. Рисунок 6.6 показывает, как NTD влияет на SRM.

Абразивно-струйные станки производятся и продаются единственным производителем (S.S. White Co., Нью-Йорк) под названием «Airbrasive».

Характеристики АЖМ:

Электронно-лучевая обработка (ЭЛБМ):

По сути, электронно-лучевая обработка также является термическим процессом. Здесь поток высокоскоростных электронов ударяет в рабочую поверхность, причем кинетическая энергия, передаваемая рабочему материалу, создает интенсивный нагрев. В зависимости от интенсивности таким образом генерируемого тепла, материал может плавиться или испаряться. Процесс нагрева электронным лучом в зависимости от интенсивности может использоваться для отжига, сварки или удаления металла.

Очень высокие скорости могут быть получены с использованием достаточного напряжения; например, ускоряющее напряжение 150 000 В может создать скорость электрона 228 478 км/с. Поскольку электронный луч может быть сфокусирован в точку с диаметром 10–200 мкм, плотность мощности может достигать 6500 млрд Вт/мм². Такая плотность мощности может мгновенно испарить любое вещество. Таким образом, ЭЛБМ — это не что иное, как очень точно контролируемый процесс испарения. ЭЛБМ подходит для сверления тонких отверстий и резки узких щелей.

Отверстия диаметром 25–125 мкм могут быть просверлены почти мгновенно в листах толщиной до 1,25 мм. Самая узкая щель, которую можно вырезать ЭЛБМ, имеет ширину 25 мкм. Более того, электронный луч может управляться магнитными дефлекторными катушками, делая обработку сложных контуров легкой. Однако, чтобы избежать столкновения ускоряющихся электронов с молекулами воздуха, процесс должен проводиться в вакууме (около 10^-5 мм рт. ст.); это делает процесс неподходящим для очень больших заготовок.

Для указания широкого диапазона применений электронного луча дан график плотности мощности против диаметра горячей точки на Рис. 6.69. Очевидно, что диапазон электронного луча самый большой. Именно поэтому электронный луч используется не только для обработки, но и для других термических процессов.

Электроны испускаются с катода (горячей вольфрамовой нити), луч формируется сетчатым кубком, и электроны ускоряются из-за большого потенциального различия между катодом и анодом. Луч фокусируется с помощью электромагнитных линз. Дефлекторные катушки используются для управления движением луча любым требуемым образом.

В случае сверления отверстий диаметр отверстия зависит от диаметра луча и плотности энергии. Когда диаметр требуемого отверстия больше диаметра луча, луч дефлектируется по круговому пути с правильным радиусом. Большинство отверстий, просверленных ЭЛБМ, характеризуются небольшим кратером на стороне падения луча на заготовку. Просверленные отверстия также имеют небольшой конус (2°–4°), когда толщина листа больше 0,1 мм. Некоторое представление о характеристиках производительности сверления отверстий ЭЛБМ можно получить из Таблицы 6.5.

При резке щели скорость обработки обычно зависит от скорости удаления материала, то есть поперечного сечения щели. Боковые стороны щели в листе толщиной до 0,1 мм почти параллельны. Конус 1°–2° наблюдается в щели, вырезанной в более толстой пластине. Небольшое количество всплесков материала происходит на стороне падения луча. Таблица 6.6 дает некоторое представление о возможностях резки щелей электронным лучом.

Требование к мощности оказалось примерно пропорциональным скорости удаления металла. Так, P ≈ CQ, где C — постоянная пропорциональности. Таблица 6.7 дает приблизительные значения C для разных рабочих материалов.

Очень грубая оценка скорости обработки для заданных условий возможна с использованием Таблицы 6.7.

Механика ЭЛБМ:

Электроны — наименьшие стабильные элементарные частицы с массой 9,109×10^-31 кг и отрицательным зарядом 1,602×10^-19 кулон. Когда электрон ускоряется через разность потенциалов V вольт, изменение кинетической энергии можно выразить как 1/2 m_e(u² – u₀²) = eV, где m_e — масса электрона, u — конечная скорость, u₀ — начальная скорость. Если предположить начальную скорость испускаемых электронов пренебрежимо малой, конечное выражение для скорости электрона u в км/с — u ≈ 600√V (6.67).

Когда быстрый электрон ударяет в поверхность материала, он проникает через слой неповрежденным. Затем он начинает сталкиваться с молекулами и в конечном итоге останавливается (Рис. 6.71). Слой, через который электрон проникает неповрежденным, называется прозрачным слоем.

Только когда электрон начинает сталкиваться с атомами решетки, он начинает отдавать свою кинетическую энергию, и генерируется тепло. Так что ясно, что генерация тепла происходит внутри материала, то есть ниже прозрачной кожи. Общая глубина, до которой электрон может проникнуть (δ), зависит от кинетической энергии, то есть от ускоряющего напряжения V. Было найдено, что — δ = k V^1.5 / ρ, где δ — диапазон в мм, V — ускоряющее напряжение в вольтах, ρ — плотность материала в кг/мм³.

Эффекты ЭЛБМ на материалах:

Поскольку обработка электронным лучом достигается без повышения температуры окружающего материала (кроме экстремально тонкого слоя), на рабочий материал нет влияния. Из-за экстремально высокой плотности энергии рабочий материал в 25–50 мкм от точки обработки остается при комнатной температуре. Кроме того, вероятность загрязнения работы также меньше, так как процесс выполняется в вакууме.

Резюме характеристик ЭЛБМ:

Лазерно-лучевая обработка (ЛБМ):

Как луч высокоскоростных электронов, лазерный луч также способен создавать очень высокую плотность мощности. Лазер — это высококогерентный (в пространстве и времени) луч электромагнитного излучения с длиной волны от 0,1 до 70 мкм. Однако требование к мощности для операции обработки ограничивает эффективно используемый диапазон длины волны 0,4–0,6 мкм.

Из-за того, что лучи лазерного луча идеально параллельны и монохроматичны, он может быть сфокусирован в очень малый диаметр и создавать плотность мощности до 10⁷ Вт/мм². Для разработки высокой мощности обычно используется импульсный рубиновый лазер. Непрерывный CO₂-N₂ лазер также успешно использовался в операциях обработки.

Катушка ксеноновой вспышки намотана вокруг рубинового стержня, а внутренняя поверхность стенок контейнера сделана высокорефлекторной, чтобы максимум света падал на рубиновый стержень для качки. Конденсатор заряжается, и очень высокое напряжение подается на запускающий электрод для инициации вспышки. Испускаемый лазерный луч фокусируется линзовой системой, и сфокусированный луч встречает рабочую поверхность, удаляя небольшую часть материала испарением и высокоскоростной абляцией.

Очень малая доля расплавленного металла испаряется так быстро, что генерируется существенный механический импульс, выбрасывающий большую часть жидкого металла. Поскольку энергия, высвобождаемая вспышкающей трубкой, намного больше энергии, испускаемой лазерной головкой в форме лазерного луча, система должна быть должным образом охлаждена.

Эффективность процесса ЛБМ очень низка — около 0,3–0,5%. Типичная выходная энергия лазера 20 Дж с длительностью импульса 1 мс. Пиковая мощность достигает 20 000 Вт. Дивергенция луча около 2×10^-3 рад, и, используя линзу с фокусным расстоянием 25 мм, диаметр пятна становится около 50 мкм.

Как электронный луч, лазерный луч также используется для сверления микроотверстий и резки очень узких щелей. Отверстия до 250 мкм диаметром могут быть легко просверлены лазером. Размерная точность около ±0,025 мм. Когда толщина заготовки больше 0,25 мм, замечается конус 0,05 мм на мм.

Механика ЛБМ:

Обработка лазерным лучом достигается через следующие фазы:

(i) Взаимодействие лазерного луча с рабочим материалом,

(ii) Теплопроводность и повышение температуры, и

Точный анализ всего процесса сложен и выходит за рамки этого текста. Мы обсудим, однако, определенные простые аспекты фундаментального значения, учитывая только повышение температуры рабочего материала до точки плавления; испарение и абляция не будут учтены в нашем анализе.

(i) Взаимодействие лазерного луча с работой:

Применение лазерного луча в обработке зависит от термо-оптического взаимодействия между лучом и твердым рабочим материалом. Так что очевидно, что рабочая поверхность не должна отражать слишком много энергии падающего луча. Рисунок 6.74 показывает 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^-μz, где I(z) обозначает интенсивность света на глубине z (Рис. 6.74), μ — коэффициент поглощения. Большинство энергии поглощается в очень тонком слое на поверхности (типичная толщина 0,01 мкм). Так что вполне разумно предположить, что поглощенная световая энергия конвертируется в тепло на самой поверхности, и лазерный луч может считаться эквивалентным тепловому потоку.

(ii) Теплопроводность и повышение температуры:

Ре-радиация с поверхности при температуре 3000 К составляет порядка только 600 Вт/см² и пренебрежимо мала по сравнению с входным потоком 10⁵–10⁷ Вт/см². Чтобы сделать наш анализ одномерным, диаметр пятна луча предполагается большим глубины проникновения. Также тепловые свойства, например проводимость и удельная теплота, считаются неизменными при изменении температуры.

Так, эквивалентная задача теплопроводности представлена равномерным тепловым потоком H(t) на поверхности (Рис. 6.75) полубесконечного тела. Уравнение теплопроводности для области z > 0 —

Стационарное проникновение отверстия:

Определение размеров расплавленной части материала довольно сложно. Однако если расплавленная яма (или отверстие) глубока и узка, основная часть теплопроводности из расплавленного отверстия происходит через боковые стенки. Когда скорость ввода тепла равна скорости потери тепла расплавленной частью, она сохраняет свою форму и размер. В таком стационарном состоянии скорость потери тепла расплавленной частью (Рис. 6.77) дается как —

По опыту было найдено, что D ≈ 55d. Так, ln(D/d) можно приблизительно принять за 4, и приравнивая скорость ввода тепла к скорости потери тепла, получаем соотношение —

Когда интенсивность луча очень высокая (>10⁷ Вт/см²), нагрев очень быстрый, и механизм, который мы только что дали, недействителен. Падающий луч быстро нагревает поверхность и испаряет ее. Таким образом, поверхность работы, куда падает луч, отступает по мере испарения материала. Так, если v — скорость, с которой поверхность отступает, скорость ввода тепла, необходимая для испарения материала (равная скорости ввода тепла от падающего луча) — H ≈ vL (6.82), где L — количество энергии для испарения единичного объема материала.

Резюме характеристик ЛБМ:

Плазменно-дуговая обработка (ПАМ):

Плазма — это высокотемпературный ионизированный газ. Плазменно-дуговая обработка выполняется высокоскоростным струем высокотемпературной плазмы. Плазменная струя нагревает заготовку (куда струя ударяет в нее), вызывая быстрое плавление. ПАМ может использоваться на всех материалах, проводящих электричество, включая те, которые устойчивы к кислородно-топливной резке. Этот процесс широко используется для контурной резки нержавеющей стали, монеля и пластин из суперсплавов.

Плазма генерируется путем воздействия на текущий газ электронами дуги. Для этого дуга устанавливается между электродом и анодным соплом; газ заставляется течь через эту дугу.

Высокоскоростные электроны дуги сталкиваются с молекулами газа, вызывая диссоциацию двухатомных молекул или атомов в ионы и электроны, в результате чего происходит существенное увеличение проводимости газа, который теперь находится в плазменном состоянии. Свободные электроны впоследствии ускоряются и вызывают больше ионизации и нагрева. После этого дальнейшее повышение температуры происходит, когда ионы и свободные электроны рекомбинируют в атомы или когда атомы рекомбинируют в молекулы, так как это экзотермические процессы.

Так генерируется высокотемпературная плазма, которая принудительно проходит через сопло в виде струи. Механика удаления материала основана на — (i) нагреве и плавлении, и (ii) удалении расплавленного металла взрывным действием плазменной струи.

Для более подробной информации см. стандартные справочники и руководства. Здесь мы перечислим основные характеристики для ознакомления читателя с процессом.

Резюме характеристик ПАМ: