Onconventionele bewerkingsprocessen:AJM, EBM, LBM &PAM | Productie

In dit artikel bespreken we de onconventionele bewerkingsprocessen:- 1. Abrasive Jet Machining (AJM) 2. Electron Beam Machining (EBM) 3. Laser Beam Machining (LBM) en 4. Plasmaboogbewerking (PAM). En leer ook over:- Onconventioneel bewerkingsproces, kenmerken van onconventioneel bewerkingsproces en classificaties van onconventionele bewerkingsprocessen.

Abrasive Jet Machining (AJM) :

In AJM vindt de materiaalverwijdering plaats door de botsing van de fijne schurende deeltjes. Deze deeltjes bewegen met een hoge snelheid lucht (of gas) stroom. Figuur 6.1 toont het proces samen met enkele typische parameters van het proces. De schurende deeltjes hebben typisch een diameter van 0,025 mm en de lucht wordt afgevoerd onder een druk van enkele atmosfeer.

Mechanica van A JM:

Wanneer een schurend deeltje met hoge snelheid op het werkoppervlak botst, veroorzaakt de impact een kleine brosse breuk en de volgende lucht (of gas) voert het losgeraakte kleine werkstukdeeltje (slijtagedeeltje) weg . Dit wordt getoond in Fig. 6.2a en 6.2b. Het is dus duidelijk dat het proces geschikter is wanneer het werkmateriaal bros en breekbaar is. Er is een model beschikbaar voor het schatten van de afnamesnelheid (mrr). De mrr als gevolg van het afbrokkelen van het werkoppervlak door de botsende schurende deeltjes wordt uitgedrukt als –

waarbij Z het aantal schuurdeeltjes is dat per tijdseenheid inslaat, d de gemiddelde diameter van de schuurkorrels is, v de snelheid van de schuurkorrels is, ρ de dichtheid van het schuurmateriaal is, H_w is de hardheid van het werkmateriaal (de vloeispanning), en X is een constante.

Procesparameters van A JM :

De proceskenmerken kunnen worden geëvalueerd door te oordelen:(i) de mrr, (ii) de geometrie van de snede, (iii) de ruwheid van het geproduceerde oppervlak, en (iv) de snelheid van mondstuk slijtage.

De belangrijkste parameters die deze hoeveelheden regelen zijn:

(i) Het schuurmiddel (samenstelling, sterkte, grootte en massastroom),

(ii) Het gas (samenstelling, druk en snelheid),

(iii) Het mondstuk (geometrie, materiaal, afstand van en helling tot het werkoppervlak).

We zullen nu elk van deze parameters bespreken, evenals hun effecten:

i. Het schuurmiddel:

Er worden hoofdzakelijk twee soorten schuurmiddelen gebruikt, namelijk – (i) aluminiumoxide en (ii) siliciumcarbide. In de meeste toepassingen hebben echter aluminiumoxide-schuurmiddelen de voorkeur. De vorm van deze korrels is niet erg belangrijk, maar voor een bevredigende slijtagewerking op het werkoppervlak moeten deze scherpe randen hebben. Al₂ O₃ en SiC-poeders met een nominale korreldiameter van 10-50 m zijn beschikbaar. De beste snede wordt bereikt wanneer de nominale diameter tussen 15 m en 20 m ligt.

Hergebruik van het schuurpoeder wordt niet aanbevolen aangezien de – (i) snijcapaciteit afneemt na de eerste toepassing, en (ii) verontreiniging de kleine openingen in de spuitmond verstopt. Het massadebiet van de schurende deeltjes hangt af van de druk en het debiet van het gas. Wanneer de massafractie van de straalmiddelen in de straal (mengverhouding) toeneemt, neemt de mrr aanvankelijk toe, maar bij een verdere verhoging van de mengverhouding bereikt deze een maximum en daalt dan (Fig. 6.3a). Wanneer het massadebiet van het schuurmiddel toeneemt, neemt ook de mrr toe (Fig. 6.3b).

ii. Het gas:

De AJM-units werken normaal bij een druk van 0,2 N/mm ² tot 1 N/mm ² . De samenstelling van gas beïnvloedt de mrr op een indirecte manier, aangezien de snelheid-drukrelatie van deze samenstelling afhangt. Een hoge snelheid veroorzaakt uiteraard een hoge mrr, zelfs als de massastroomsnelheid van het schuurmiddel constant wordt gehouden.

iii. Het mondstuk:

Het mondstuk is een van de meest vitale elementen die de proceskenmerken regelen. Omdat het continu in contact staat met de slijpkorrels die met hoge snelheid stromen, moet het materiaal zeer hard zijn om significante slijtage te voorkomen. Normaal gesproken wordt toilet of saffier gebruikt. Voor een normale werking is de doorsnede van de opening tussen 0,05 mm ² en 0,2 mm ² .

De vorm van de opening kan cirkelvormig of rechthoekig zijn. De gemiddelde levensduur van een mondstuk is zeer moeilijk vast te stellen. Een WC-mondstuk gaat tussen de 12 en 30 uur mee, terwijl een saffieren mondstuk ongeveer 300 uur meegaat.

Een van de belangrijkste factoren bij AJM is de afstand tussen het werkoppervlak en de punt van de spuitmond, normaal gesproken de Nozzle Tip Distance (NTD) genoemd. De NTD beïnvloedt niet alleen de mrr van het werkoppervlak, maar ook de vorm en grootte van de geproduceerde holte. In figuur 6.5 is het effect van NTD weergegeven. Wanneer de NTD toeneemt, neemt de snelheid van de schurende deeltjes die op het werkoppervlak botsen toe vanwege hun versnelling nadat ze het mondstuk hebben verlaten.

Dit, op zijn beurt, verhoogt de mrr. Bij een verdere toename van de NTD neemt de snelheid af als gevolg van de luchtweerstand die aanvankelijk de toename van de mrr controleert en uiteindelijk verlaagt. Figuur 6.6 laat zien hoe de NTD de mrr.

De schuurstraalmachines worden vervaardigd en op de markt gebracht door één enkele fabrikant (namelijk S.S. White Co., New York) onder de naam "Airbrasive".

Kenmerken van AJM:

Elektronenstraalbewerking (EBM):

In principe is het machinaal bewerken van elektronenstralen ook een thermisch proces. Hier botst een stroom elektronen met hoge snelheid op het werkoppervlak, waarbij de kinetische energie, overgebracht op het werkmateriaal, een intense verhitting veroorzaakt. Afhankelijk van de intensiteit van de warmte die daarbij ontstaat, kan het materiaal smelten of verdampen. Het proces van verhitting door een elektronenstraal kan, afhankelijk van de intensiteit, worden gebruikt voor gloeien, lassen of metaalverwijdering.

Zeer hoge snelheden kunnen worden verkregen door voldoende spanning te gebruiken; een versnellingsspanning van 150.000 V kan bijvoorbeeld een elektronensnelheid van 228.478 km/sec produceren. Aangezien een elektronenstraal kan worden gefocusseerd tot een punt met een diameter van 10 tot 200 m, kan de vermogensdichtheid oplopen tot 6500 miljard W / mm ² . Een dergelijke vermogensdichtheid kan elke stof onmiddellijk verdampen. EBM is dus niets anders dan een zeer nauwkeurig gecontroleerd verdampingsproces. EBM is een geschikt proces voor het boren van fijne gaten en het snijden van smalle sleuven.

Gaten met een diameter van 25-125μm kunnen vrijwel onmiddellijk worden geboord in platen met een dikte tot 1,25 mm. De smalste sleuf die door EBM kan worden gesneden, heeft een breedte van 25 m. Bovendien kan een elektronenbundel worden gemanoeuvreerd door de magnetische afbuigspoelen, waardoor het bewerken van complexe contouren eenvoudig wordt. Om echter een botsing van de versnellende elektronen met de luchtmoleculen te voorkomen, moet het proces in vacuüm worden uitgevoerd (ongeveer 10 ^-5 mmHg); dit maakt het proces ongeschikt voor zeer grote werkstukken.

Om het brede scala aan toepassingen van de elektronenbundel aan te geven, is een grafiek van de vermogensdichtheid versus de hotspot-diameter gegeven in Fig. 6.69. Het is duidelijk dat het bereik van de elektronenbundel het grootst is. Daarom wordt de elektronenstraal niet alleen gebruikt voor machinale bewerking, maar ook voor de andere thermische processen.

De elektronen worden uitgezonden door de kathode (een hete wolfraamgloeidraad), de bundel wordt gevormd door de roosterbeker en de elektronen worden versneld door een groot potentiaalverschil tussen de kathode en de anode. De bundel wordt gefocusseerd met behulp van de elektromagnetische lenzen. De afbuigspoelen worden gebruikt om de straalbeweging op elke gewenste manier te regelen.

Bij het boren van gaten is de gatdiameter afhankelijk van de straaldiameter en de energiedichtheid. Wanneer de diameter van het vereiste gat groter is dan de straaldiameter, wordt de straal afgebogen in een cirkelvormig pad met de juiste straal. De meeste gaten die met EBM worden geboord, worden gekenmerkt door een kleine krater aan de kant van de bundelinval van het werk. De geboorde gaten hebben ook een kleine tapsheid (2°-4°) wanneer de plaatdikte meer dan 0,1 mm is. Een idee over de prestatiekenmerken van het boren van gaten met EBM kan worden verkregen uit tabel 6.5.

Tijdens het snijden van een gleuf hangt de bewerkingssnelheid normaal gesproken af ​​van de mate van materiaalverwijdering, d.w.z. de doorsnede van de te snijden gleuf. De zijkanten van een gleuf in een plaat met een dikte tot 0,1 mm zijn bijna evenwijdig. Een tapsheid van 1° tot 2° wordt waargenomen in een gleuf die in een dikkere plaat is gesneden. Aan de invallende zijde van de bundel treedt een kleine hoeveelheid materiaalspatten op. Tabel 6.6 geeft enig idee over de sleufsnijmogelijkheden van de elektronenbundel.

Het benodigde vermogen blijkt ongeveer evenredig te zijn met de snelheid van metaalverwijdering. Dus, P ≈ CQ, waarbij C de evenredigheidsconstante is. Tabel 6.7 geeft de geschatte waarden van C voor verschillende werkmaterialen.

Met behulp van tabel 6.7 is een zeer ruwe schatting van de bewerkingssnelheid voor de gegeven omstandigheden mogelijk.

Mechanica van EBM:

Elektronen zijn de kleinste stabiele elementaire deeltjes met een massa van 9.109 x 10 ^-31 kg en een negatieve lading van 1.602 x 10 ^-19 coulomb. Wanneer een elektron wordt versneld door een potentiaalverschil van V volt, kan de verandering in de kinetische energie worden uitgedrukt als 1/2m_e (u ² –u₀ ² ) eV, waarbij m_e is de elektronenmassa, u is de eindsnelheid, en u₀ is de beginsnelheid. Als we aannemen dat de beginsnelheid van de emitterende elektronen verwaarloosbaar is, is de uiteindelijke uitdrukking voor de elektronensnelheid u in km/sec –

u ≈ 600√V (6,67)

Wanneer een snel bewegend elektron een materiaaloppervlak raakt, dringt het ongestoord door een laag. Vervolgens begint het te botsen met de moleculen en wordt het uiteindelijk tot rust gebracht (Fig. 6.71). De laag waar het elektron ongestoord doorheen dringt, wordt de transparante laag genoemd.

Pas wanneer het elektron begint te botsen met de roosteratomen, begint het zijn kinetische energie op te geven en wordt warmte gegenereerd. Het is dus duidelijk dat de warmteontwikkeling plaatsvindt in het materiaal, dat wil zeggen onder de transparante huid. Het totale bereik waartoe het elektron kan doordringen (δ) hangt af van de kinetische energie, d.w.z. van de versnellingsspanning V. Gebleken is dat –

Waar δ het bereik in mm is, is V de versnellingsspanning in volt en is p de dichtheid van het materiaal in kg / mm ³ .

Effecten van EBM op materialen:

Aangezien machinale bewerking door een elektronenstraal wordt bereikt zonder de temperatuur van het omringende materiaal te verhogen (behalve een extreem dunne laag), is er geen effect op het werkmateriaal. Vanwege de extreem hoge energiedichtheid blijft het werkmateriaal op een afstand van 25-50 μm van de bewerkingsplek op kamertemperatuur. Daarnaast is de kans op vervuiling van het werk ook kleiner doordat het proces in vacuüm wordt uitgevoerd.

Samenvatting van EBM-kenmerken:

Laserstraalbewerking (LBM) :

Net als een straal van elektronen met hoge snelheid, kan een laserstraal ook een zeer hoge vermogensdichtheid produceren. Laser is een zeer coherente (in ruimte en tijd) bundel van elektromagnetische straling met een golflengte variërend van 0,1 m tot 70 m. De vermogensbehoefte voor een machinale bewerking beperkt het effectief bruikbare golflengtebereik echter tot 0,4-0,6 m.

Omdat de stralen van een laserstraal perfect evenwijdig en monochromatisch zijn, kan deze worden gefocusseerd tot een zeer kleine diameter en kan een vermogensdichtheid tot wel 10 ⁷ W/mm ² . Voor het ontwikkelen van een hoog vermogen wordt normaal gesproken een gepulseerde robijnlaser gebruikt. De continue CO₂ -N₂ laser is ook met succes gebruikt bij machinale bewerkingen.

Een opgerolde xenon-flitsbuis wordt rond de robijnrode staaf geplaatst en het binnenoppervlak van de containerwanden is sterk reflecterend gemaakt, zodat er maximaal licht op de robijnrode staaf valt voor de pompwerking. De condensator wordt opgeladen en een zeer hoge spanning wordt aangebracht op de triggerelektrode voor het starten van de flits. De uitgezonden laserstraal wordt gefocusseerd door een lenssysteem en de gefocusseerde straal ontmoet het werkoppervlak, waarbij een klein deel van het materiaal wordt verwijderd door verdamping en ablatie met hoge snelheid.

Een zeer kleine fractie van het gesmolten metaal verdampt zo snel dat er een aanzienlijke mechanische impuls wordt gegenereerd, waardoor een groot deel van het vloeibare metaal wordt weggeslingerd. Omdat de energie die door de flitsbuis vrijkomt veel meer is dan de energie die door de laserkop in de vorm van een laserstraal wordt uitgezonden, moet het systeem goed worden gekoeld.

De efficiëntie van het LBM-proces is erg laag:ongeveer 0,3-0,5%. De typische uitgangsenergie van een laser is 20 J met een pulsduur van 1 milliseconde. Het piekvermogen bereikt een waarde van 20.000 W. De divergentie van de bundel is ongeveer 2 x 10 ^-3 rad, en bij gebruik van een lens met een brandpuntsafstand van 25 mm wordt de spotdiameter ongeveer 50 m.

Net als de elektronenstraal wordt de laserstraal ook gebruikt voor het boren van microgaatjes en het snijden van zeer smalle sleuven. Gaten met een diameter tot 250 m kunnen eenvoudig met een laser worden geboord. De maatnauwkeurigheid is ongeveer ± 0,025 mm. Bij een werkstukdikte van meer dan 0,25 mm wordt een tapsheid van 0,05 mm per mm opgemerkt.

Mechanica van LBM:

Bewerking met een laserstraal wordt bereikt door de volgende fasen:

(i) Interactie van laserstraal met werkmateriaal,

(ii) Warmtegeleiding en temperatuurstijging, en

Een nauwkeurige analyse van het hele proces is moeilijk en valt buiten het bestek van deze tekst. We zullen echter enkele eenvoudige aspecten van fundamenteel belang bespreken, waarbij alleen rekening wordt gehouden met de temperatuurstijging van het werkmateriaal tot aan het smeltpunt; verdamping en ablatie zullen in onze analyse niet in aanmerking worden genomen.

(i) Interactie van laserstraal met werk:

De toepassing van een laserstraal bij machinale bewerking hangt af van de thermo-optische interactie tussen de straal en het vaste werkmateriaal. Het is dus duidelijk dat het werkoppervlak niet te veel van de invallende bundelenergie mag terugkaatsen. Figuur 6.74 toont een laserstraal die op een vast oppervlak valt. Het geabsorbeerde licht plant zich voort in het medium en de energie ervan wordt geleidelijk overgedragen aan de roosteratomen in de vorm van warmte. De absorptie wordt beschreven door de wet van Lambert als –

I(Z) =I(0)e ^{– μz}

Waarbij I(z) de lichtintensiteit op een diepte z aangeeft (Fig. 6.74) en μ de absorptiecoëfficiënt is. Het grootste deel van de energie wordt geabsorbeerd in een zeer dunne laag aan het oppervlak (typische dikte 0,01 m). Het is dus redelijk om aan te nemen dat de geabsorbeerde lichtenergie wordt omgezet in warmte aan het oppervlak zelf, en de laserstraal kan worden beschouwd als equivalent aan een warmtestroom.

(ii) Warmtegeleiding en temperatuurstijging:

Herstraling vanaf het oppervlak bij een temperatuur van 3000 K is in de orde van grootte van slechts 600 W/cm ² en het is verwaarloosbaar in vergelijking met de invoerflux 10 ⁵ -10 ⁷ W / cm ² . Om onze analyse eendimensionaal te maken, wordt aangenomen dat de diameter van de bundelvlek groter is dan de penetratiediepte. Ook wordt aangenomen dat de thermische eigenschappen, bijvoorbeeld geleidbaarheid en soortelijke warmte, niet worden beïnvloed door de temperatuurverandering.

Het equivalente warmtegeleidingsprobleem wordt dus weergegeven door een uniforme warmteflux H(t) aan het oppervlak (Fig. 6.75) van een semi-oneindig lichaam. De vergelijking voor warmtegeleiding voor het gebied z> 0 is –

Steady State Gat Penetratie :

Het bepalen van de afmetingen van het gesmolten deel van het materiaal is behoorlijk ingewikkeld. Als de gesmolten put (of het gat) echter diep en smal is, vindt het grootste deel van de warmtegeleiding van het gesmolten gat plaats via de zijwanden. Wanneer de warmte-invoersnelheid gelijk is aan de snelheid van warmteverlies door het gesmolten deel, behoudt het zijn vorm en grootte. In een dergelijke stabiele toestand wordt de snelheid van warmteverlies door het gesmolten gedeelte (Fig. 6.77) gegeven door –

Uit ervaring. er is gevonden dat D ≈ 55d. Dus, In (D/d) kan bij benadering 4 worden genomen, en door de warmte-invoersnelheid gelijk te stellen aan de warmteverliessnelheid, is de relatie die we verkrijgen –

Als de straalintensiteit erg hoog is (>10 ⁷ W / cm ² ), de verwarming is erg snel en het mechanisme dat we zojuist hebben gegeven is niet geldig. De invallende bundel verwarmt het oppervlak snel en verdampt het. Dus het oppervlak van het werk waar de straal valt, trekt zich terug naarmate het materiaal verdampt. Dus, als v de snelheid is waarmee het oppervlak zich terugtrekt, is de snelheid van de warmte-invoer die nodig is om het materiaal te verdampen (gelijk aan de snelheid van de warmte-invoer van de invallende bundel)-

H ≈ vL, (6.82)

Waarbij L de hoeveelheid energie is om een ​​eenheidsvolume van het materiaal te verdampen.

Samenvatting van LBM-kenmerken:

Plasmaboogbewerking (PAM) :

Een plasma is een geïoniseerd gas op hoge temperatuur. De plasmaboogbewerking wordt uitgevoerd met een hogesnelheidsstraal van een plasma op hoge temperatuur. De plasmastraal verwarmt het werkstuk (waar de straal erop valt), waardoor het snel smelt. PAM kan worden gebruikt op alle materialen die elektriciteit geleiden, inclusief materialen die bestand zijn tegen autogeen snijden. Dit proces wordt veelvuldig gebruikt voor het profielsnijden van platen van roestvrij staal, monel en superlegeringen.

Een plasma wordt gegenereerd door een stromend gas te onderwerpen aan het elektronenbombardement van een boog. Hiervoor wordt de boog opgesteld tussen de elektrode en het anodisch mondstuk; het gas wordt gedwongen door deze boog te stromen.

De elektronen met hoge snelheid van de boog botsen met de gasmoleculen, waardoor de diatomische moleculen of atomen uiteenvallen in ionen en elektronen, wat resulteert in een aanzienlijke toename van de geleidbaarheid van het gas dat zich nu in plasma staat. De vrije elektronen versnellen vervolgens en veroorzaken meer ionisatie en verwarming. Daarna vindt een verdere temperatuurstijging plaats wanneer de ionen en vrije elektronen recombineren tot atomen of wanneer de atomen recombineren tot moleculen aangezien dit exotherme processen zijn.

Er wordt dus een plasma van hoge temperatuur gegenereerd dat in de vorm van een straal door het mondstuk wordt geperst. De mechanica van materiaalverwijdering is gebaseerd op - (i) verwarming en smelten, en (ii) verwijdering van het gesmolten metaal door de stralende werking van de plasmastraal.

Zie de standaard handboeken en naslagwerken voor meer details. Hier zullen we de basiskenmerken opsommen om de lezer vertrouwd te maken met het proces.

Samenvatting van PAM-kenmerken: