Unkonventionelle Bearbeitungsprozesse:AJM, EBM, LBM &PAM | Herstellung

In diesem Artikel werden wir die unkonventionellen Bearbeitungsverfahren diskutieren:1. Abrasive Jet Machining (AJM) 2. Electron Beam Machining (EBM) 3. Laserstrahl Machining (LBM) und 4. Plasmalichtbogenbearbeitung (PAM). Und erfahren Sie auch über:- Unkonventionelle Bearbeitungsverfahren, Eigenschaften von unkonventionellen Bearbeitungsverfahren und Klassifikationen von unkonventionellen Bearbeitungsverfahren.

Abrasive Jet Machining (AJM) :

Bei AJM erfolgt der Materialabtrag durch das Auftreffen der feinen Schleifpartikel. Diese Partikel bewegen sich mit einem Hochgeschwindigkeits-Luft- (oder Gas-) Strom. Abbildung 6.1 zeigt den Prozess zusammen mit einigen typischen Parametern des Prozesses. Die Schleifpartikel haben typischerweise einen Durchmesser von 0,025 mm und die Luft wird mit einem Druck von mehreren Atmosphären abgegeben.

Mechanik von A JM:

Wenn ein abrasiver Partikel mit hoher Geschwindigkeit auf die Arbeitsfläche auftrifft, verursacht der Aufprall einen winzigen Sprödbruch und die nachfolgende Luft (oder Gas) trägt die abgelösten kleinen Werkstückpartikel (Verschleißpartikel) weg. . Dies ist in den Fign. 6.2a und 6.2b. Somit ist es offensichtlich, dass das Verfahren besser geeignet ist, wenn das Arbeitsmaterial spröde und zerbrechlich ist. Ein Modell zur Abschätzung des Zeitspanvolumens (mrr) steht zur Verfügung. Der mrr aufgrund des Abplatzens der Arbeitsfläche durch die auftreffenden Schleifpartikel wird ausgedrückt als –

wobei Z die Anzahl der pro Zeiteinheit auftreffenden Schleifpartikel ist, d der mittlere Durchmesser der Schleifkörner ist, v die Geschwindigkeit der Schleifkörner ist, ρ die Dichte des Schleifmaterials ist, H_w die Härte des Arbeitsmaterials (die Fließspannung) ist und X eine Konstante ist.

Prozessparameter von A JM :

Die Prozesseigenschaften können bewertet werden durch Beurteilen – (i) des mrr, (ii) der Geometrie des Schnitts, (iii) der Rauheit der erzeugten Oberfläche und (iv) der Rate der Düsenverschleiß.

Die wichtigsten Parameter, die diese Mengen steuern, sind:

(i) Das Schleifmittel (Zusammensetzung, Stärke, Größe und Massendurchfluss),

(ii) Das Gas (Zusammensetzung, Druck und Geschwindigkeit),

(iii) Die Düse (Geometrie, Material, Abstand und Neigung zur Arbeitsfläche).

Wir werden nun jeden dieser Parameter sowie ihre Auswirkungen diskutieren:

i. Das Schleifmittel:

Hauptsächlich werden zwei Arten von Schleifmitteln verwendet, nämlich – (i) Aluminiumoxid und (ii) Siliziumkarbid. Bei den meisten Anwendungen werden jedoch im Allgemeinen Schleifmittel aus Aluminiumoxid bevorzugt. Die Form dieser Körner ist nicht sehr wichtig, aber für eine zufriedenstellende Verschleißwirkung auf der Arbeitsfläche sollten diese scharfe Kanten haben. Al₂ O₃ und SiC-Pulver mit einem Nennkorndurchmesser von 10-50 µm stehen zur Verfügung. Der beste Schnitt wird erreicht, wenn der Nenndurchmesser zwischen 15 µm und 20 µm liegt.

Eine Wiederverwendung des Schleifpulvers wird nicht empfohlen, da – (i) die Schneidleistung nach dem ersten Auftragen abnimmt und (ii) Verunreinigungen die kleinen Düsenöffnungen verstopfen. Der Massenstrom der abrasiven Partikel hängt vom Druck und der Strömungsgeschwindigkeit des Gases ab. Mit zunehmendem Massenanteil der Strahlmittel im Strahl (Mischungsverhältnis) steigt der mrr zunächst an, erreicht aber bei weiterer Erhöhung des Mischungsverhältnisses ein Maximum und fällt dann ab (Abb. 6.3a). Mit steigendem Massenstrom des Strahlmittels steigt auch der mrr (Abb. 6.3b).

ii. Das Gas:

Die AJM-Einheiten arbeiten normalerweise mit einem Druck von 0,2 N/mm ² bis 1 N/mm ² . Die Gaszusammensetzung beeinflusst den mrr indirekt, da die Geschwindigkeits-Druck-Beziehung von dieser Zusammensetzung abhängt. Eine hohe Geschwindigkeit verursacht offensichtlich einen hohen mrr, selbst wenn der Massenstrom des Schleifmittels konstant gehalten wird.

iii. Die Düse:

Die Düse ist eines der wichtigsten Elemente zur Steuerung der Prozesseigenschaften. Da es ständig in Kontakt mit den mit hoher Geschwindigkeit strömenden Schleifkörnern ist, muss das Material sehr hart sein, um einen nennenswerten Verschleiß zu vermeiden. Normalerweise wird WC oder Saphir verwendet. Für einen normalen Betrieb beträgt die Querschnittsfläche der Öffnung zwischen 0,05 mm ² und 0,2 mm ² .

Die Form der Öffnung kann entweder kreisförmig oder rechteckig sein. Die durchschnittliche Lebensdauer einer Düse ist sehr schwer zu ermitteln. Eine WC-Düse hält zwischen 12 und 30 Stunden, während eine Saphirdüse ungefähr 300 Stunden hält.

Einer der wichtigsten Faktoren bei AJM ist der Abstand zwischen der Arbeitsfläche und der Düsenspitze, der normalerweise als Nozzle Tip Distance (NTD) bezeichnet wird. Die NTD beeinflusst nicht nur den mrr der Arbeitsfläche, sondern auch die Form und Größe der erzeugten Kavität. Abbildung 6.5 zeigt die Wirkung von NTD. Wenn die NTD zunimmt, erhöht sich die Geschwindigkeit der auf die Arbeitsfläche auftreffenden Schleifpartikel aufgrund ihrer Beschleunigung, nachdem sie die Düse verlassen haben.

Dies wiederum erhöht den mrr. Bei einer weiteren Erhöhung des NTD nimmt die Geschwindigkeit aufgrund des Luftwiderstands ab, der den Anstieg des mrr zunächst bremst und schließlich absenkt. Abbildung 6.6 zeigt, wie sich die NTD auf den mrr auswirkt.

Die Schleifstrahlmaschinen werden von einem einzigen Hersteller (nämlich S.S. White Co., New York) unter dem Namen „Airbrasive“ hergestellt und vertrieben.

Eigenschaften von AJM:

Elektronenstrahlbearbeitung (EBM):

Grundsätzlich ist auch die Elektronenstrahlbearbeitung ein thermischer Prozess. Hier trifft ein Strom von Hochgeschwindigkeitselektronen auf die Arbeitsfläche, wobei die auf das Arbeitsmaterial übertragene kinetische Energie eine starke Erwärmung erzeugt. Je nach Intensität der dabei entstehenden Hitze kann das Material schmelzen oder verdampfen. Das Aufheizen durch einen Elektronenstrahl kann je nach Intensität zum Glühen, Schweißen oder Abtragen verwendet werden.

Bei ausreichender Spannung können sehr hohe Geschwindigkeiten erreicht werden; beispielsweise kann eine Beschleunigungsspannung von 150.000 V eine Elektronengeschwindigkeit von 228.478 km/s erzeugen. Da ein Elektronenstrahl auf einen Punkt mit einem Durchmesser von 10 bis 200 μm fokussiert werden kann, kann die Leistungsdichte bis zu 6500 Milliarden W / mm betragen ² . Eine solche Leistungsdichte kann jede Substanz sofort verdampfen. Somit ist EBM nichts anderes als ein sehr genau kontrollierter Verdampfungsprozess. EBM ist ein geeignetes Verfahren zum Bohren feiner Löcher und zum Schneiden schmaler Schlitze.

Löcher mit 25-125μm Durchmesser können fast augenblicklich in Bleche mit Dicken bis zu 1,25 mm gebohrt werden. Der schmalste Schlitz, der mit EBM geschnitten werden kann, hat eine Breite von 25μm. Außerdem kann ein Elektronenstrahl durch die magnetischen Ablenkspulen manövriert werden, was die Bearbeitung komplexer Konturen erleichtert. Um jedoch eine Kollision der beschleunigenden Elektronen mit den Luftmolekülen zu vermeiden, muss der Prozess im Vakuum (ca. 10 ^-5 mmHg); dies macht das Verfahren für sehr große Werkstücke ungeeignet.

Um den breiten Anwendungsbereich des Elektronenstrahls aufzuzeigen, ist in Abb. 6.69 eine Auftragung der Leistungsdichte über dem Hot-Spot-Durchmesser dargestellt. Es ist offensichtlich, dass die Reichweite des Elektronenstrahls am größten ist. Deshalb wird der Elektronenstrahl nicht nur für die Zerspanung, sondern auch für die anderen thermischen Verfahren eingesetzt.

Die Elektronen werden von der Kathode (einem heißen Wolframfaden) emittiert, der Strahl wird durch die Gitterschale geformt und die Elektronen werden aufgrund einer großen Potentialdifferenz zwischen Kathode und Anode beschleunigt. Der Strahl wird mit Hilfe der elektromagnetischen Linsen fokussiert. Die Ablenkspulen werden verwendet, um die Strahlbewegung in beliebiger Weise zu steuern.

Beim Bohren von Löchern hängt der Lochdurchmesser vom Strahldurchmesser und der Energiedichte ab. Wenn der Durchmesser des erforderlichen Lochs größer als der Strahldurchmesser ist, wird der Strahl auf einer Kreisbahn mit dem richtigen Radius abgelenkt. Die meisten mit EBM gebohrten Löcher sind durch einen kleinen Krater auf der Strahleinfallsseite der Arbeit gekennzeichnet. Die Bohrungen besitzen auch bei Blechdicken über 0,1 mm eine leichte Konizität (2°-4°). Eine Vorstellung über die Leistungsmerkmale beim Bohren von Löchern mit EBM kann Tabelle 6.5 entnommen werden.

Beim Schneiden einer Nut hängt die Bearbeitungsgeschwindigkeit normalerweise von der Materialabtragsrate, d. h. vom Querschnitt der zu schneidenden Nut, ab. Die Seiten eines Schlitzes in einem Blech mit einer Dicke von bis zu 0,1 mm sind nahezu parallel. Bei einem Schlitz, der in eine dickere Platte geschnitten wird, wird eine Verjüngung von 1° bis 2° beobachtet. Auf der Einfallsseite des Strahls tritt eine geringe Menge an Materialspritzern auf. Tabelle 6.6 gibt eine Vorstellung von den Schlitzschneidefähigkeiten des Elektronenstrahls.

Es wurde festgestellt, dass der Energiebedarf ungefähr proportional zur Metallabtragsrate ist. Also, P ≈ CQ, wobei C die Proportionalitätskonstante ist. Tabelle 6.7 gibt die ungefähren Werte von C für verschiedene Arbeitsmaterialien an.

Eine sehr grobe Abschätzung der Bearbeitungsgeschwindigkeit für die gegebenen Bedingungen ist mit Tabelle 6.7 möglich.

Mechanik der EBM:

Elektronen sind die kleinsten stabilen Elementarteilchen mit einer Masse von 9,109 x 10 ^-31 kg und eine negative Ladung von 1,602 x 10 ^-19 coulomb. Wenn ein Elektron durch eine Potentialdifferenz von V Volt beschleunigt wird, kann die Änderung der kinetischen Energie als 1/2m_e . ausgedrückt werden (u ² –u₀ ² ) eV, wobei m_e ist die Elektronenmasse, u ist die Endgeschwindigkeit und u₀ ist die Anfangsgeschwindigkeit. Wenn wir annehmen, dass die Anfangsgeschwindigkeit der emittierenden Elektronen vernachlässigbar ist, lautet der endgültige Ausdruck für die Elektronengeschwindigkeit u in km/sec –

u ≈ 600√V (6.67)

Trifft ein sich schnell bewegendes Elektron auf eine Materialoberfläche, durchdringt es eine Schicht ungestört. Dann kollidiert es mit den Molekülen und kommt schließlich zur Ruhe (Abb. 6.71). Die Schicht, die das Elektron ungestört durchdringt, wird als transparente Schicht bezeichnet.

Erst wenn das Elektron mit den Gitteratomen zu kollidieren beginnt, beginnt es seine kinetische Energie abzugeben und es entsteht Wärme. Es ist also klar, dass die Wärmeentwicklung im Inneren des Materials, also unterhalb der transparenten Haut, stattfindet. Die Gesamtreichweite, in die das Elektron eindringen kann (δ) hängt von der kinetischen Energie ab, d. h. von der Beschleunigungsspannung V. Es wurde festgestellt, dass –

Dabei ist δ der Bereich in mm, V die Beschleunigungsspannung in Volt und p die Dichte des Materials in kg / mm ³ .

Auswirkungen von EBM auf Materialien:

Da die Bearbeitung durch einen Elektronenstrahl ohne Temperaturerhöhung des umgebenden Materials (außer einer extrem dünnen Schicht) erreicht wird, gibt es keine Auswirkungen auf das Werkstück. Aufgrund der extrem hohen Energiedichte bleibt der Werkstoff 25-50μm von der Bearbeitungsstelle entfernt auf Raumtemperatur. Abgesehen davon ist auch die Wahrscheinlichkeit einer Kontamination des Werkstücks geringer, da der Prozess im Vakuum durchgeführt wird.

Zusammenfassung der EBM-Eigenschaften:

Laserstrahlbearbeitung (LBM) :

Wie ein Strahl aus Hochgeschwindigkeitselektronen kann auch ein Laserstrahl eine sehr hohe Leistungsdichte erzeugen. Laser ist ein (in Raum und Zeit) hochkohärenter Strahl elektromagnetischer Strahlung mit einer Wellenlänge, die von 0,1 μm bis 70 μm variiert. Der Leistungsbedarf für einen Bearbeitungsvorgang beschränkt jedoch den effektiv nutzbaren Wellenlängenbereich auf 0,4–0,6 µm.

Da die Strahlen eines Laserstrahls perfekt parallel und monochromatisch sind, kann er auf einen sehr kleinen Durchmesser fokussiert werden und kann eine Leistungsdichte von bis zu 10 ^{7<. erreichen /sup> W/mm 2 . Zur Entwicklung einer hohen Leistung wird normalerweise ein gepulster Rubinlaser verwendet. Das kontinuierliche CO₂ -N₂ Laser wird auch erfolgreich in der Zerspanung eingesetzt.}

Um den Rubinstab wird eine gewendelte Xenon-Blitzröhre gelegt und die Innenfläche der Behälterwände hochreflektierend gestaltet, damit für den Pumpvorgang maximales Licht auf den Rubinstab fällt. Der Kondensator wird geladen und eine sehr hohe Spannung wird an die Triggerelektrode angelegt, um den Blitz auszulösen. Der emittierte Laserstrahl wird durch ein Linsensystem fokussiert und der fokussierte Strahl trifft auf die Arbeitsfläche, wobei ein kleiner Teil des Materials durch Verdampfung und Hochgeschwindigkeitsablation entfernt wird.

Ein sehr kleiner Teil des geschmolzenen Metalls wird so schnell verdampft, dass ein erheblicher mechanischer Impuls erzeugt wird, der einen großen Teil des flüssigen Metalls herausschleudert. Da die von der Blitzröhre abgegebene Energie viel höher ist als die vom Laserkopf in Form eines Laserstrahls abgegebene Energie, muss das System entsprechend gekühlt werden.

Die Effizienz des LBM-Prozesses ist sehr gering – etwa 0,3–0,5 %. Die typische Ausgangsenergie eines Lasers beträgt 20 J bei einer Pulsdauer von 1 Millisekunde. Die Spitzenleistung erreicht einen Wert von 20.000 W. Die Divergenz des Strahls beträgt etwa 2 x 10 ^-3 rad, und bei Verwendung einer Linse mit einer Brennweite von 25 mm beträgt der Fleckdurchmesser etwa 50 µm.

Wie der Elektronenstrahl wird auch der Laserstrahl zum Bohren von Mikrolöchern und zum Schneiden sehr schmaler Schlitze verwendet. Löcher bis zu einem Durchmesser von 250 μm können problemlos mit einem Laser gebohrt werden. Die Maßgenauigkeit beträgt ca. ±0,025 mm. Wenn die Werkstückdicke mehr als 0,25 mm beträgt, wird eine Verjüngung von 0,05 mm pro mm festgestellt.

Mechanik der LBM:

Die Bearbeitung durch einen Laserstrahl erfolgt in den folgenden Phasen:

(i) Interaktion des Laserstrahls mit dem Arbeitsmaterial,

(ii) Wärmeleitung und Temperaturanstieg und

Eine genaue Analyse des gesamten Prozesses ist schwierig und würde den Rahmen dieses Textes sprengen. Wir werden jedoch einige einfache Aspekte von grundlegender Bedeutung diskutieren, wobei wir nur die Temperaturerhöhung des Arbeitsmaterials bis zum Schmelzpunkt betrachten; Verdampfung und Ablation werden in unserer Analyse nicht berücksichtigt.

(i) Interaktion des Laserstrahls mit der Arbeit:

Die Anwendung eines Laserstrahls in der Bearbeitung hängt von der thermo-optischen Wechselwirkung zwischen dem Strahl und dem festen Werkstoff ab. Es ist daher offensichtlich, dass die Arbeitsfläche nicht zu viel der einfallenden Strahlenergie zurückreflektieren sollte. Abbildung 6.74 zeigt einen Laserstrahl, der auf eine feste Oberfläche fällt. Das absorbierte Licht breitet sich im Medium aus und seine Energie wird nach und nach in Form von Wärme auf die Gitteratome übertragen. Die Absorption wird durch das Lambertsche Gesetz beschrieben als –

I(Z) =I(0)e ^{– μz}

Wobei I(z) die Lichtintensität in einer Tiefe z bezeichnet (Abb. 6.74) und μ der Absorptionskoeffizient ist. Die meiste Energie wird in einer sehr dünnen Schicht an der Oberfläche absorbiert (typische Dicke 0,01 μm). Es ist also durchaus anzunehmen, dass die absorbierte Lichtenergie an der Oberfläche selbst in Wärme umgewandelt wird und der Laserstrahl als äquivalent zu einem Wärmestrom angesehen werden kann.

(ii) Wärmeleitung und Temperaturanstieg:

Die Rückstrahlung von der Oberfläche bei einer Temperatur von 3000 K liegt in der Größenordnung von nur 600 W / cm ² und es ist vernachlässigbar im Vergleich zum Eingangsfluss 10 ⁵ -10 ⁷ W / cm ² . Um unsere Analyse eindimensional zu gestalten, wird angenommen, dass der Durchmesser des Strahlflecks größer ist als die Eindringtiefe. Auch die thermischen Eigenschaften, z. B. Leitfähigkeit und spezifische Wärme, bleiben von der Temperaturänderung unbeeinflusst.

Das äquivalente Wärmeleitungsproblem wird also durch einen gleichförmigen Wärmefluss H(t) an der Oberfläche (Abb. 6.75) eines halbunendlichen Körpers dargestellt. Die Gleichung für die Wärmeleitung für den Bereich z> 0 lautet –

Steady State Hole Penetration :

Die Bestimmung der Abmessungen des geschmolzenen Teils des Materials ist ziemlich kompliziert. Wenn jedoch die Schmelzgrube (oder das Loch) tief und schmal ist, findet der Hauptteil der Wärmeleitung aus dem Schmelzloch durch die Seitenwände statt. Wenn die Wärmezufuhrrate gleich der Wärmeverlustrate durch den geschmolzenen Teil ist, behält er seine Form und Größe bei. In einem solchen stationären Zustand ist die Wärmeverlustrate des geschmolzenen Anteils (Abb. 6.77) gegeben durch –

Aus Erfahrung. es wurde gefunden, dass D 55d. In (D/d) kann also ungefähr 4 angenommen werden, und wenn wir die Wärmezufuhrrate mit der Wärmeverlustrate gleichsetzen, erhalten wir die Beziehung –

Wenn die Strahlintensität sehr hoch ist (>10 ⁷ W / cm ² ), ist die Erwärmung sehr schnell, und der soeben angegebene Mechanismus ist nicht gültig. Der einfallende Strahl heizt die Oberfläche schnell auf und verdampft sie. Somit tritt die Oberfläche des Werkstücks, auf die der Strahl fällt, zurück, wenn das Material verdampft. Wenn also v die Geschwindigkeit ist, mit der sich die Oberfläche zurückzieht, ist die zum Verdampfen des Materials erforderliche Wärmezufuhrrate (gleich der Wärmezufuhrrate des einfallenden Strahls)-

H ≈ vL, (6.82)

Wobei L die Energiemenge ist, um eine Volumeneinheit des Materials zu verdampfen.

Zusammenfassung der LBM-Eigenschaften:

Plasmalichtbogenbearbeitung (PAM) :

Ein Plasma ist ein ionisiertes Hochtemperaturgas. Die Plasmalichtbogenbearbeitung erfolgt mit einem Hochgeschwindigkeitsstrahl eines Hochtemperaturplasmas. Der Plasmastrahl erhitzt das Werkstück (wo der Strahl darauf auftrifft) und bewirkt ein schnelles Aufschmelzen. PAM kann auf allen elektrisch leitenden Materialien verwendet werden, auch auf solchen, die gegen Autogenschneiden beständig sind. Dieses Verfahren wird häufig zum Profilschneiden von Edelstahl-, Monel- und Superlegierungsplatten verwendet.

Ein Plasma wird erzeugt, indem ein strömendes Gas dem Elektronenbeschuss eines Lichtbogens ausgesetzt wird. Dazu wird der Lichtbogen zwischen Elektrode und anodischer Düse aufgebaut; das Gas wird gezwungen, durch diesen Lichtbogen zu strömen.

Die Hochgeschwindigkeitselektronen des Lichtbogens kollidieren mit den Gasmolekülen, was zu einer Dissoziation der zweiatomigen Moleküle oder Atome in Ionen und Elektronen führt, was zu einer erheblichen Erhöhung der Leitfähigkeit des jetzt in Plasmazustand. Die freien Elektronen beschleunigen sich anschließend und verursachen mehr Ionisierung und Erwärmung. Danach erfolgt eine weitere Temperaturerhöhung, wenn die Ionen und freien Elektronen zu Atomen rekombinieren oder wenn die Atome zu Molekülen rekombinieren, da es sich um exotherme Prozesse handelt.

So wird ein Hochtemperaturplasma erzeugt, das in Form eines Strahls durch die Düse gepresst wird. Die Mechanik des Materialabtrags basiert auf – (i) Erhitzen und Schmelzen und (ii) Entfernen des geschmolzenen Metalls durch die Strahlwirkung des Plasmastrahls.

Weitere Informationen finden Sie in den Standardhandbüchern und Nachschlagewerken. Hier listen wir die grundlegenden Merkmale auf, um den Leser mit dem Verfahren vertraut zu machen.

Zusammenfassung der PAM-Eigenschaften: