Niet-conventionele bewerking verkennen: AJM, EBM, LBM en PAM technieken

In dit artikel bespreken we de niet-conventionele bewerkingsprocessen:- 1. Straalstraalbewerking (AJM) 2. Elektronenstraalbewerking (EBM) 3. Laserstraalbewerking (LBM) en 4. Plasma-boogbewerking (PAM). En leer ook over:- Niet-conventioneel bewerkingsproces, kenmerken van niet-conventioneel bewerkingsproces en classificaties van niet-conventionele bewerkingsprocessen.

Straalstraalbewerking (AJM)

Bij AJM vindt materiaalverwijdering plaats door de inslag van fijn straalmateriaal deeltjes. Deze deeltjes bewegen met een hoge snelheid lucht (of gas) stroom. Figuur 6.1 toont het proces samen met enkele typische procesparameters. De straalmateriaal deeltjes zijn typisch 0,025 mm diameter en de lucht ontlaadt zich bij een druk van verschillende atmosferen.

Mechanica van AJM:

Wanneer een straalmateriaal deeltje met hoge snelheid op het werkvlak inslaat, veroorzaakt de inslag een kleine broze breuk en de volgende lucht (of gas) voert het losgemaakte kleine werkstukdeeltje (slijtdeeltje) weg. Dit wordt getoond in Fig. 6.2a en 6.2b. Dus is het duidelijk dat het proces meer geschikt is wanneer het werkmateriaal broos en kwetsbaar is. Een model voor het schatten van de materiaalverwijderingssnelheid (mrr) is beschikbaar. De mrr door afscheuring van het werkvlak door de inslagende straalmateriaal deeltjes wordt uitgedrukt als –

waarbij Z het aantal straalmateriaal deeltjes is dat per eenheidstijd inslaat, d de gemiddelde diameter van de straalkorrels, v de snelheid van de straalkorrels, ρ de dichtheid van het straalmateriaal, H_w de hardheid van het werkmateriaal (de vloeispanning), en X een constante is.

Procesparameters van AJM:

De proceskenmerken kunnen worden geëvalueerd door te oordelen over – (i) de mrr, (ii) de geometrie van de snede, (iii) de ruwheid van het geproduceerde oppervlak, en (iv) de slijtsnelheid van de monding.

De belangrijkste parameters die deze hoeveelheden controleren zijn:

(i) Het straalmateriaal (samenstelling, sterkte, grootte, en massaflowsnelheid),

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

(iii) De monding (geometrie, materiaal, afstand van en helling ten opzichte van het werkvlak).

We zullen nu elk van deze parameters alsook hun effecten bespreken:

i. Het straalmateriaal:

Vooral twee typen straalmateriaal worden gebruikt, nl., – (i) aluminiumoxide en (ii) siliciumcarbide. Echter, over het algemeen worden aluminiumoxide straalmateriaal in de meeste toepassingen bevorzugd. De vorm van deze korrels is niet heel belangrijk, maar voor een bevredigende slijtactie op het werkvlak, moeten ze scherpe randen hebben. Al₂O₃ en SiC poeders met een nominële korreldiameter van 10-50 μm zijn beschikbaar. Het beste snijden wordt bereikt wanneer de nominële diameter tussen 15 μm en 20 μm ligt.

Hergebruik van het straalmateriaalpoeder wordt niet aanbevolen omdat de – (i) snijcapaciteit na de eerste toepassing afneemt, en (ii) verontreiniging de kleine openingen in de monding verstopt. De massaflowsnelheid van de straalmateriaal deeltjes hangt af van de druk en de flowsnelheid van het gas. Wanneer de massafractie van de straalmateriaal in de straal (mengverhouding) toeneemt, neemt de mrr initieel toe, maar met een verdere toename van de mengverhouding bereikt het een maximum en daalt het dan (Fig. 6.3a). Wanneer de massaflowsnelheid van het straalmateriaal toeneemt, neemt de mrr ook toe (Fig. 6.3b).

ii. Het gas:

AJM-eenheden werken normaal bij een druk van 0,2 N/mm² tot 1 N/mm². De samenstelling van het gas beïnvloedt de mrr op indirecte wijze omdat de snelheid-druk relatie hiervan afhangt. Een hoge snelheid veroorzaakt duidelijk een hoge mrr zelfs als de massaflowsnelheid van het straalmateriaal constant wordt gehouden.

iii. De monding:

De monding is een van de meest vitale elementen die de proceskenmerken controleren. Omdat het continu in contact is met de straalkorrels die met hoge snelheid vloeien, moet het materiaal erg hard zijn om enige significante slijtage te voorkomen. Normaal wordt WC of sapphire gebruikt. Voor een normale operatie is de dwarsdoorsnede van de opening tussen 0,05 mm² en 0,2 mm².

De vorm van de opening kan circulair of rechthoekig zijn. De gemiddelde levensduur van een monding is moeilijk te bepalen. Een WC monding duurt tussen 12 uur en 30 uur, terwijl een sapphire monding ongeveer 300 uur duurt.

Een van de belangrijkste factoren in AJM is de afstand tussen het werkvlak en de punt van de monding, normaal de Mondingpunt Afstand (NTD) genoemd. De NTD beïnvloedt niet alleen de mrr van het werkvlak maar ook de vorm en grootte van de geproduceerde kaviteit. Figuur 6.5 toont het effect van NTD. Wanneer de NTD toeneemt, neemt de snelheid van de straalmateriaal deeltjes die op het werkvlak inslaan toe door hun versnelling nadat ze de monding verlaten.

Dit zorgt op zijn beurt voor een toename van de mrr. Met een verdere toename van de NTD, neemt de snelheid af door de weerstand van de atmosfeer die initieel de toename van de mrr remt en uiteindelijk vermindert. Figuur 6.6 toont hoe de NTD de mrr beïnvloedt.

De straalstraalmachines worden gefabriceerd en gemarkeerd door een enkele fabrikant (naamelijk S.S. White Co., New York) onder de naam "Airbrasive".

Kenmerken van AJM:

Elektronenstraalbewerking (EBM):

Fundamenteel is elektronenstraalbewerking ook een thermisch proces. Hier slaat een stroom van hoge snelheid elektronen op het werkvlak waarbij de kinetische energie, overgedragen aan het werkmateriaal, intense verhitting produceert. Afhankelijk van de intensiteit van de zo gegenereerde warmte, kan het materiaal smelten of verdampen. Het verhitingsproces door een elektronenstraal kan, afhankelijk van de intensiteit, worden gebruikt voor aanlassen, lassen, of metaalverwijdering.

Zeer hoge snelheden kunnen worden verkregen door voldoende spanning te gebruiken; bijvoorbeeld kan een versnellingspanning van 150.000 V een elektronsnelheid van 228.478 km/sec produceren. Omdat een elektronenstraal kan worden gefocust op een punt met 10-200 μm diameter, kan de vermogensdichtheid oplopen tot 6500 miljard W/mm². Zo'n vermogensdichtheid kan elk bestand onmiddellijk verdampen. Dus is EBM niets anders dan een zeer precies gecontroleerd verdampingsproces. EBM is een geschikt proces voor het boren van fijne gaten en het snijden van smalle sleuven.

Gaten met 25-125 μm diameter kunnen bijna direct worden geboord in platen met diktes tot 1,25 mm. De smalste sleuf die door EBM kan worden gesneden heeft een breedte van 25 μm. Bovendien kan een elektronenstraal worden gemanipuleerd door de magnetische afbuigspoelen, wat de bewerking van complexe contouren gemakkelijk maakt. Echter, om een botsing van de versnellende elektronen met de luchtmoleculen te voorkomen, moet het proces in vacuüm worden uitgevoerd (ongeveer 10^-5 mm Hg); dit maakt het proces ongeschikt voor zeer grote werkstukken.

Om de brede reeks toepassingen van de elektronenstraal aan te tonen, is een plot van de vermogensdichtheid versus de hotspot diameter gegeven in Fig. 6.69. Het is duidelijk dat het bereik van de elektronenstraal het grootste is. Dit is waarom de elektronenstraal niet alleen voor bewerking wordt gebruikt maar ook voor de andere thermische processen.

De elektronen worden geëmiteerd door de kathode (een hete wolfraamdraad), de straal wordt gevormd door de roosterkop, en de elektronen worden versneld door een groot potentiaalverschil tussen de kathode en de anode. De straal wordt gefocust met behulp van de elektromagnetische lenzen. De afbuigspoelen worden gebruikt om de straalbeweging in elke vereiste manier te controleren.

In het geval van het boren van gaten hangt de gatdiameter af van de straaldiameter en de energiedichtheid. Wanneer de diameter van het vereiste gat groter is dan de straaldiameter, wordt de straal in een cirkelvormige baan met de juiste straal afgebogen. Meeste met EBM geboorde gaten worden gekenmerkt door een kleine krater aan de straalinslagzijde van het werk. De geboorde gaten bezitten ook een kleine kegelvorm (2°-4°) wanneer de plaatdikte meer dan 0,1 mm is. Enig idee over de prestatiekenmerken van het boren van gaten met EBM kan worden verkregen uit Tabel 6.5.

Bij het snijden van een sleuf hangt de bewerkingsnormaal snelheid af van de snelheid van materiaalverwijdering, nl., de dwarsdoorsnede van de te snijden sleuf. De zijkanten van een sleuf in een plaat met dikte tot 0,1 mm zijn bijna parallel. Een kegelvorm van 1° tot 2° wordt waargenomen in een sleuf gesneden in een dikker plaat. Een kleine hoeveelheid materiaal spatter treedt op aan de straalinslagzijde. Tabel 6.6 geeft enig idee over de sleufsnijcapaciteiten van de elektronenstraal.

De stroomvereiste blijkt ongeveer evenredig te zijn met de snelheid van metaalverwijdering. Dus, P ≈ CQ, C zijnde de evenredigheidsconstante. Tabel 6.7 geeft de benaderingswaarden van C voor verschillende werkmaterialen.

Een zeer ruwe schatting van de bewerkingssnelheid voor de gegeven condities is mogelijk, met behulp van Tabel 6.7.

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(u² –u₀²) eV, waar m_e de elektronenmassa is, u de eindsnelheid, en u₀ de beginsnelheid. Als we de beginsnelheid van de emitterende elektronen verwaarloosbaar achten, is de finale expressie voor de elektronsnelheid u in km/sec –

u ≈ 600√V (6.67)

Wanneer een snel bewegend elektron op een materiaaloppervlak inslaat, penetreert het door een laag onverstoord. Dan begint het te botsen met de moleculen, en uiteindelijk wordt het tot stilstand gebracht (Fig. 6.71). De laag doorheen waar het elektron onverstoord penetreert heet de transparante laag.

Alleen wanneer het elektron begint te botsen met de roosteratomen, geeft het zijn kinetische energie op, en wordt warmte gegenereerd. Dus is het duidelijk dat de warmteopwekking plaatsvindt binnen het materiaal, nl., onder de transparante huid. Het totale bereik waartoe het elektron kan penetreren (δ) hangt af van de kinetische energie, nl., van de versnellingspanning V. Het is gevonden dat –

Waarbij δ het bereik in mm is, V de versnellingspanning in volt, en p de dichtheid van het materiaal in kg/mm³.

Effecten van EBM op materialen:

Omdat 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 25-50 μm van de bewerkingsplek af op kamertemperatuur. Naast dit is de kans op verontreiniging van het werk ook kleiner aangezien het proces in vacuüm wordt voltooid.

Samenvatting van EBM kenmerken:

Laserstraalbewerking (LBM):

Net als een bundel hoge snelheid elektronen, is een laserbundel ook in staat om zeer hoge vermogensdichtheid te produceren. Laser is een hoog cohérente (in ruimte en tijd) bundel van elektromagnetische straling met golflengte varierend van 0,1 μm tot 70 μm. Echter, de stroomvereiste voor een bewerkingsoperatie beperkt de effectief bruikbare golflengtebereik tot 0,4-0,6 μm.

Vanwege het feit dat de stralen van een laserbundel perfect parallel en monochromatisch zijn, kan het worden gefocust op een zeer kleine diameter en kan het een vermogensdichtheid produceren zo hoog als 10⁷ W/mm². Voor het ontwikkelen van hoge vermogen, wordt normaal een gepulste ruby laser gebruikt. De continue CO₂-N₂ laser is ook met succes gebruikt in bewerkingsoperaties.

Een opgerolde xenon flitspijp wordt rond de ruby staaf geplaatst en het interne oppervlak van de containerwanden wordt hoog reflecterend gemaakt zodat maximaal licht op de ruby staaf valt voor de pompoperatie. De condensator wordt opgeladen en een zeer hoge spanning wordt toegepast op de trigger elektrode voor initiatie van de flits. De uitgezonden laserbundel wordt gefocust door een lenstelsel en de gefocuste bundel treft het werkvlak, verwijderend een klein deel van het materiaal door verdamping en hoge snelheid ablatie.

Een heel kleine fractie van het gesmolten metaal wordt zo snel verdampt dat een substantiële mechanische impuls wordt gegenereerd, wat een groot deel van het vloeibare metaal uitwerpt. Omdat de vrijgegeven energie door de flitspijp veel meer is dan de energie uitgezonden door de laserkop in de vorm van een laserbundel, moet het systeem goed gekoeld worden.

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. De piekvermogen bereikt een waarde van 20.000 W. De divergentie van de bundel is ongeveer 2 x 10^-3 rad, en met een lens met een brandpuntsafstand van 25 mm, wordt de spotdiameter ongeveer 50 μm.

Net als de elektronenstraal, wordt de laserbundel ook gebruikt voor het boren van microgaten en het snijden van zeer smalle sleuven. Gaten tot 250 μm diameter kunnen gemakkelijk worden geboord door een laser. De dimensionale nauwkeurigheid is ongeveer ±0,025 mm. Wanneer de werkstukdikte meer dan 0,25 mm is, wordt een kegelvorm van 0,05 mm per mm opgemerkt.

Mechanica van LBM:

Bewerking door een laserbundel wordt bereikt via de volgende fasen:

(i) Interactie van laserbundel met werkmateriaal,

(ii) Warmtegeleiding en temperatuurstijging, en

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

(i) Interactie van laserbundel met werk:

De toepassing van een laserbundel in bewerking hangt af van de thermo-optische interactie tussen de bundel en het vaste werkmateriaal. Dus is het duidelijk dat het werkvlak niet te veel van de invalsbundelenergie moet reflecteren. Figuur 6.74 toont een laserbundel vallend op een vast oppervlak. Het geabsorbeerde licht propageert in het medium en de energie 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 aanduidt (Fig. 6.74) en μ de absorptiecoëfficiënt is. Meeste van de energie wordt geabsorbeerd in een zeer dunne laag aan het oppervlak (typische dikte 0,01 μm). Dus is het redelijk om aan te nemen dat de geabsorbeerde lichtenergie wordt omgezet in warmte aan het oppervlak zelf, en de laserbundel kan worden beschouwd als equivalent aan een warmteflux.

(ii) Warmtegeleiding en temperatuurstijging:

Herstraling van het oppervlak bij een temperatuur van 3000 K is van de orde van slechts 600 W/cm² en is verwaarloosbaar vergeleken met de invoerflux 10⁵-10⁷ W/cm². Om onze analyse eendimensionaal te maken, wordt de diameter van de bundelspot verondersteld groter te zijn dan de penetratiediepte. Ook worden de thermische eigenschappen, bv., geleiding en specifieke warmte, beschouwd als onbeïnvloed door de temperatuurverandering.

Dus wordt het equivalente warmtegeleidingsprobleem voorgesteld 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 –

Stationaire toestand gatpenetratie:

De bepaling van de afmetingen van het gesmolten deel van het materiaal is redelijk ingewikkeld. Echter, als de gesmolten put (of gat) diep en smal is, vindt het grootste deel van de warmtegeleiding van het gesmolten gat plaats door de zijwanden. Wanneer de warmteinvoersnelheid gelijk is aan de warmteverlies snelheid van het gesmolten deel, behoudt het zijn vorm en grootte. In zo'n stationaire toestand is de warmteverlies snelheid van het gesmolten deel (Fig. 6.77) gegeven door –

Uit ervaring is gevonden dat D ≈ 55d. Dus, In (D/d) kan benaderingsgewijs 4 worden genomen, en door de warmteinvoersnelheid gelijk te stellen aan de warmteverlies snelheid, is de relatie die we verkrijgen –

Wanneer de bundelintensiteit erg hoog is (>10⁷ W/cm²), is de verbranding erg snel, en het mechanisme dat we net gaven is niet geldig. De invalsbundel verhit het oppervlak snel en verdampt het. Dus het werkoppervlak waar de bundel op valt, trekt zich terug als het materiaal verdampt. Dus, als v de snelheid is waarmee het oppervlak zich terugtrekt, is de warmteinvoersnelheid vereist om het materiaal te verdampen (gelijk aan de warmteinvoersnelheid van de invalsbundel) -

H ≈ vL, (6.82)

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

Samenvatting van LBM kenmerken:

Plasma-boogbewerking (PAM):

Een plasma is een hoge temperatuur geïoniseerd gas. De plasma-boogbewerking wordt gedaan met een hoge snelheid straal van een hoge temperatuur plasma. De plasma-straal verhit het werkstuk (waar de straal op inslaat), wat een snelle smelting veroorzaakt. PAM kan op alle materialen worden gebruikt die elektriciteit geleiden, inclusief die welke bestendig zijn tegen zuurstof-brandstof gas snijden. Dit proces wordt uitgebreid gebruikt voor profielsnijden van roestvrij staal, monel, en superlegering platen.

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

De hoge snelheid elektronen van de boog botsen met de gasmoleculen, wat een dissociatie van de diatome moleculen of atomen in ionen en elektronen veroorzaakt, resulterend in een substantiële toename in de geleidbaarheid van het gas wat nu in plasma toestand is. De vrije elektronen, vervolgens, versnellen en veroorzaken meer ionisatie en verbranding. Daarna vindt een verdere temperatuurstijging plaats wanneer de ionen en vrije elektronen hercombineren in atomen of wanneer de atomen hercombineren in moleculen aangezien dit exothermische processen zijn.

Dus wordt een hoge temperatuur plasma gegenereerd wat gedwongen wordt door de monding in de vorm van een straal. De mechanica van materiaalverwijdering is gebaseerd op – (i) verbranding en smelting, en (ii) verwijdering van het gesmolten metaal door de blasting actie van de plasma straal.

Voor meer details, zie de standaard handboeken en naslagwerken. Hier zullen we de basis kenmerken opsommen om de lezer vertrouwd te maken met het proces.

Samenvatting van PAM kenmerken: