Laserondersteund verspanen van moeilijk te snijden materialen: onderzoeksmogelijkheden en toekomstige aanwijzingen - een uitgebreide beoordeling

 Abstract

  Legeringen met een hoge sterkte zoals nikkel en titanium en geavanceerde technische materialen zoals keramiek, composieten worden ontwikkeld en op grote schaal gebruikt in de lucht- en ruimtevaart, automobielindustrie, medische en nucleaire industrie vanwege de inherente fysisch-mechanische eigenschappen ervan. Maar de conversie van deze nieuwe materialen naar technische producten gaat altijd gepaard met machinale bewerking. De bewerkbaarheidseigenschappen zoals een hogere snijkracht, hogere snijtemperatuur, slechte oppervlaktegeschiedenis en kortere standtijden in verband met deze materialen vormen veel uitdagingen voor de onderzoekers en worden daarom beschouwd als moeilijk te snijden materialen. Conventionele werkwijzen voor het machinaal bewerken van deze materialen blijken oneconomisch te zijn. In de afgelopen dagen zijn veel pogingen ondernomen om de bewerkbaarheid van deze materialen effectiever te verbeteren door gebruik te maken van externe energiegestuurde bewerking. Van de verschillende externe energie-ondersteunde bewerkingsmethoden heeft laser-assisted machining (LAM) de aandacht getrokken van onderzoekers in het metaalsnijdomein en enkele onderzoeken zijn uitgevoerd in de afgelopen jaren. Dit artikel is bedoeld om het potentiële gebruik van LAM voor moeilijk te snijden materialen, de huidige voortgang, voordelen en uitdagingen bij lasergestuurd bewerken te beoordelen en samen te vatten. Daarnaast is een optimalisatieframe onderzoek uitgevoerd naar het effect van laserparameters en bewerkingsprocesparameters op bewerkbaarheidsprestaties die niet van toepassing zijn op industriële processen. Er wordt geconcludeerd dat verdere experimentele modellering en empirische technieken vereist zijn om voorspellende modellen te creëren die een goed beeld geven. overeenstemming met betrouwbare experimenten, met uitleg over de effecten van veel parameters, voor de bewerking van deze moeilijk te snijden materialen.

1. Inleiding

  In de afgelopen decennia worden geavanceerde materialen zoals op titanium en nikkel gebaseerde superlegeringen, ferrolegeringen, keramiek, composieten en kobalt-chroomlegeringen ontwikkeld voor hittebestendige en hittebestendige toepassingen, waaronder de automobiel-, ruimtevaart-, nucleaire, medische en elektronische industrie [1]. 10].

  Deze materialen worden gekenmerkt door een uitstekende sterkte-tot-gewichtverhouding, sterke corrosiebestendigheid en het vermogen om hoge sterkte te behouden bij hoge temperaturen. Deze materialen hebben allemaal een superieure sterkte en taaiheid in vergelijking met conventioneel, technisch materiaal. Toepassingen van deze materialen groeien momenteel echter niet, omdat dit de helft van de uiteindelijke kosten van het product voor het converteren van een laatste component [1, 2]. Dit wordt toegeschreven aan lage snijsnelheid, kleinere snedediepte door overmatige slijtage van het gereedschap. Daarom worden deze materialen beschouwd als moeilijk te snijden materialen. Tijdens de bewerking worden veel problemen ondervonden, zoals overmatige warmteontwikkeling in de snijzone en hoge wrijving tussen het interface tussen gereedschap en chip, neiging tot BUE-vorming en catastrofaal falen van de snijkant [3,4,5]. Dit kan een aanzienlijk effect hebben op de prestaties van bewerkingsprocessen, zoals slechte bewerkbaarheid, hoge bewerkingskosten en lage productiviteit. Vanwege de inherente eigenschappen van moeilijk te snijden materiaal, blijken conventionele bewerkingsmethoden zoals frezen of draaien inefficiënt. Een aantal innovatieve bewerkingsprocessen zoals abrasieve bewerking, laserbewerking, bewerking van elektrische ontladingen, chemische bewerking, thermisch geassisteerde machinale bewerkingsmethoden zoals machinale bewerking met laser, plasma-geassisteerde bewerking worden momenteel toegepast op deze materialen. Van de vele benaderingen is één benadering, die steeds populairder wordt met moeilijk te bewerken materialen, lasergeassisteerd bewerken (LAM) vanwege de hogere voordelen, de aanzienlijke groei in technologie en de commerciële levensvatbaarheid.

In dit verband belicht dit document de huidige voortgang en uitdagingen in LAM met betrekking tot het effect van laserparameters en bewerkingsparameters op de procesefficiëntie van moeilijk te snijden materialen.

2. Laserassistent verspanen - Overzicht

  Lasergesteund bewerken is een hybride methode die een krachtige laser gebruikt om het werkstuk lokaal te verwarmen voordat het materiaal wordt verwijderd met een traditioneel snijgereedschap. Bij verhoogde temperaturen neemt de vloeigrens van een bros materiaal af tot onder de breuksterkte, waardoor het materiaalvervormingsgedrag verandert van bros in ductiel. Ook bij verhoogde temperaturen neemt de vloeigrens van sterk, ductiel materiaal af, waardoor de snijkrachten en slijtage van het gereedschap worden verminderd en de kwaliteit van het oppervlak wordt verbeterd [6]. Figuur 1 toont een schema van lasergestuurde bewerking.

  Twee belangrijke laserbronnen worden veel gebruikt in LAM-experimenten, zoals CO2-laser en Nd: YAG-laser. De laatste, met een kortere golflengte, heeft een betere absorptievermogen. CO2-laser heeft minder voordelen op de meeste moeilijk te snijden materialen zoals Inconel, gehard staal en composietmaterialen in vergelijking met Nd: YAG vanwege het lage absorptievermogen van laserenergie [7,8,9]. Het grootste deel van het onderzoek was gericht op de voordelen van LAM en behandelde de uitdagingen bij conventionele verspaning. Maar de bewerkingsresultaten van LAM zijn afhankelijk van zowel de bewerkingsparameters als de laserparameters. De belangrijkste bedrijfsparameters in verband met lasergestuurde bewerking zijn: laservermogen, puntdiameter van de laserstraal, snijsnelheid, voedingssnelheid en snijdiepte. De optimale instelling voor LAM is moeilijk vanwege de vele controleparameters en hun interacties. Daarnaast is een statistisch onderzoek op basis van het ontwerp van experimenten nodig om het effect van de optimale LAM-parameter te onderzoeken en de interacties ervan ontbreken bij de publicatie.

  3. Effect van laserparameters en bewerkingsparameters op moeilijk te bewerken materialen

  Onlangs heeft LAM een belangrijk onderzoeksgebied geïdentificeerd en toegepast op vele materialen met hoge en hoge hardheid. Om de maximale voordelen van LAM te realiseren, moet men het interactie-effect van laserprocesparameters op verschillende werkstukmaterialen en de optimale niveaus begrijpen om lagere snijkracht, lage bewerkingskosten en oppervlaktekwaliteit te bereiken [7]. Oppervlaktetemperatuur van het werkstuk, snijsnelheid, voedingssnelheid, diepte-uitsnijding, laserspotdiameter, afstand van lasergereedschap, brandpuntsafstand, speelt een belangrijke rol in het LAM-proces om schade aan het oppervlak en vroegtijdig falen van snijgereedschappen te voorkomen. In deze sectie worden de effectlaserparameters samen met bewerkingsparameters op verschillende moeilijk te snijden materialen besproken.

  3.1 Titaniumlegeringen

  Titaniumlegeringen zijn aantrekkelijke materialen in de lucht- en ruimtevaart, automobielindustrie, biomedische industrie, nucleaire industrie en gasturbine industrie vanwege zijn superieure fysisch-mechanische eigenschappen zoals uitstekende sterkte-tot-gewichtverhouding, sterke corrosiebestendigheid en het vermogen om hoge sterkte te behouden bij hoge temperaturen [10,11 12]. Deze eigenschappen, samen met een lage elasticiteitsmodulus, lage thermische geleidbaarheid, hoge sterkte en hardheid bij verhoogde temperatuur en chemische reactiviteit met snijgereedschappen, maken het bewerken van dit materiaal uiterst moeilijk, wat resulteert in een kortere standtijd [10]. Lagere snijsnelheid en kortere standtijd die hogere bewerkingskosten voor deze legeringen met zich meebrengt [11]. Er zijn enkele onderzoekspogingen gedaan om de bewerkbaarheid te analyseren via droge, cryogene geassisteerde bewerking om de snijsnelheid en de standtijd te verhogen. Studies tonen aan dat cryogene geassisteerde bewerking een aanzienlijke verbetering van de standtijd oplevert in vergelijking met droge bewerking [12]. De combinatie van lage toevoer / hoge snedediepte verbetert de standtijd met 6 keer in vergelijking met hoge toevoer / lage snijdiepte bij constante snijsnelheid van 125 m / min met gebruik van vloeibare stikstof als koelmiddel [13,14]. Als gevolg van een aanzienlijke groei van lasergestuurde bewerking wordt geadresseerd om de bewerkbaarheid van titanium te verbeteren [7,8]. Bij hogere snijsnelheid resulteerde LAM in een kortere standtijd als gevolg van diffusieslijtage bij materiaalverwijderingstemperatuur van 250˚C temperatuur in vergelijking met conventionele bewerking [15]. LAM profiteert echter van deze legering via hybride bewerking, d.w.z. LAM bij cryogene bewerking [15] en rapporteerde de maximale standtijd, in termen van MRR als gevolg van lagere interface-temperatuur van de gereedschap-chip, lagere wrijving tussen het snijgereedschap en het werkstuk. Waargenomen werd dat TiAlN gecoate carbide snij-inzetstukken een totale besparing van de standtijd tijdens LAM en hybride bewerking [15] opleverden.

Verder onderzoek werd gedaan naar de voordelen van ongecoate hardmetalen snijplaten met cryogene koelvloeistoffen voor het onderzoeken van de standtijd en het slijtage-mechanisme bij het draaien van Ti-6Al-4V op hoge snelheid (125 m / min). Het resultaat laat zien dat de bewerking met koelvloeistoffen de standtijd met 235% aanzienlijk verbetert ten opzichte van alleen LAM en dat koelvloeistof de hechting, diffusieslijtage, onderdrukt, wat de standtijd van het gereedschap aanzienlijk verbetert [16]. De onderzoekers zijn echter gefocust op het potentieel van LAM bij industriële toepassingen door kritische analyse van het effect van laserstraal op de snijkracht en snijtemperatuur en resulteerden in een aanzienlijke vermindering van de snijkracht (15%) [17]. Er werd waargenomen dat bij toenemende laserenergie (tussen 1200 W - 1600 W en een laserstraal ter plaatse van 2-3 mm) er een afname van> 10% van de snijkracht wordt waargenomen bij een snijsnelheid van 25 - 125 m / min. en observeerde ook een kortere standtijd bij snijsnelheid > 150 m / min. De chipmorfologiestudie van LAM laat zien dat de chipvorming sterk afhankelijk is van de snijsnelheid en het laservermogen [18]. Er werd waargenomen dat bij constante laserenergie de overgang van zaagtand naar continue chip en terug naar zaagtand bij hogere snijsnelheid.

Tabel 1 vat de laatste onderzoeken samen in lasergestuurde bewerking van titaniumlegeringen.

  3.2 Legeringen op nikkelbasis

  Legeringen op nikkelbasis zoals Inconel, Hastelloys, Waspaloys en Udimet zijn andere aantrekkelijke materialen ten opzichte van titaniumlegeringen die worden gebruikt in de lucht- en ruimtevaartindustrie, zoals gasturbines, straalmotoren en stuwkrachtreservoir vanwege chemische en mechanische eigenschappen bij verhoogde temperatuur [10]. Vanwege de hoge temperatuur op de snijzone bij 1200˚C, chemisch

Tabel 1 Samenvatting van de laserbewerkte bewerking van titaniumlegeringen

reactiviteit met de meeste snijgereedschappen en aanwezigheid van hard schurend deeltje zoals TiC, CrC, MoC in de microstructuur waardoor de bewerking van deze legeringen moeilijk wordt en de abrasieve slijtage wordt bevorderd. Dit resulteert in een lage snijsnelheid, een kortere standtijd, slechte oppervlaktekwaliteit en dus hoge bewerkingskosten [19,20].

  In de afgelopen jaren werd LAM gebruikt om de bewerkbaarheid op legeringen op basis van nikkel te verbeteren. Aangezien de hardheid van Inconel snel boven 600˚C -700˚C is overleden, hoeft de materiaalverwijderingstemperatuur (Tmr) van het werkstukmateriaal niet te worden verhoogd in tegenstelling tot LAM van keramiek. Vanwege het lage absorptievermogen van metalen werd een hoogvermogenlaser in vroege stadia op Inconel 718 gebruikt [19]. De Anderson et al. Meldden dat de absorptiesnelheid op Inconel 718 kan worden verbeterd met grafietkleefstof op het oppervlak voor CO2-laser en de resultaten zijn bewezen. De aangebrachte coating kan zichzelf echter niet ondersteunen bij hoge temperatuur en meerdere lasereenheden worden tegelijkertijd gebruikt op het niet-geroerde oppervlak en het afschuiningoppervlak om de bewerkbaarheid te verbeteren [20]. Hoogvermogenlassenergie, kleine laserstraaldiameter, kleinere voedingssnelheid en grotere voorverwarmingstijd kunnen resulteren in de vereiste Tmr op het werkstuk [21]. Aan de andere kant, samen met Tmr, heeft de toevoersnelheid de hoogste invloedsfactor op specifieke snij-energie. Omdat laserenergie het materiaaloppervlak verwarmt tot 540˚C voor Inconel 718 [20] en tussen 300-400˚C voor Waspaloy [23], daalden de gemiddelde flankslijtage en kerfslijtage bij toenemende snelheid van 60 m / min tot 180 m / min voor Inconel 718 en voor Waspaloy.

De integriteit van het bewerkte oppervlak (ruwheid, oppervlakte- / suboppervlakschade, restspanning, microhardheid), in het bijzonder de oppervlakteruwheid, is enigszins verbeterd met keramische inzetstukken in LAM ten opzichte van conventionele bewerking [22]. Een vergelijkende analyse van keramische en carbide-inzetstukken met behulp van LAM wordt geëxperimenteerd en resulteerde in het feit dat de levensduur van niet-gecoate carbide-inzetstukken minder is vergeleken met conventionele bewerking [22]. Verdere experimenten uitgevoerd met Sailon-snijgereedschap en rapporteerden dat de oppervlakteruwheid met 25% verbeterde voor keramische gereedschappen, wat het gunstige resultaat opleverde ondanks het eerdere onderzoek in verband met slechte oppervlaktekwaliteit [21]. Verder produceerde het LAM een opmerkelijke toename van de mate van materiaalverwijdering. Het keramische gereedschap van Sailon toonde een toename van 800% in materiaalverwijderingssnelheid en 50% verbeterde standtijd in vergelijking met conventionele verspaning. Tabel 2 vat de laatste onderzoeken samen in lasergestuurde bewerking van op nikkel gebaseerde legeringen.

Tabel 2 Samenvatting van de lasergesteunde bewerking van op nikkel gebaseerde superlegeringen

  3.3Ceramics

  Geavanceerde structurele keramiek zoals mulliet, zirkoniumoxide, aluminiumoxide en siliciumnitride wordt geïdentificeerd als een ander aantrekkelijk materiaal vanwege de samendrukbare eigenschappen [24,26,27,28]. Vanwege hun lage dichtheid, superieure slijtvastheid en hoge temperatuursterkte worden deze meestal gebruikt bij de productie van kritische componenten in de automobiel- en ruimtevaartindustrie. Het meeste onderzoek naar LAM in het verleden is op dit materiaal uitgevoerd vanwege hun hardheid en broosheid [24, 25]. Het PCBN-snijgereedschap heeft een langer gereedschap (zeg 121 minuten) als LAM op zirkoniumoxide bij een Tmr van 900 ˚C -1100˚C [27] en een carbide-inzetstuk is gebruikt voor LAM op aluminiumoxide bij 850˚C [ 29] en mulliet (zeg 44 min) [28]. Drie dominante slijtagemechanismen zoals slijtage, hechting en diffusie worden toegeschreven voor slijtage van het gereedschap en zijn sterk afhankelijk van de materiaalverwijderingstemperatuur [27]. Daarom is het noodzakelijk om de optimale materiaalverwijderingstemperatuur te vinden voor de langere standtijd [26]. Het vinden van de optimale Tmr is echter moeilijk vanwege de complexiteit van invloedsparameters en hun onderlinge interacties.

  De snijkracht en specifieke snijenergie nemen af ​​naarmate de oppervlaktetemperatuur stijgt met laserenergie wanneer LAM op keramiek is maar niet significant wordt beïnvloed door de afstand van de lasertool [25,27,28]. De invloed van de snijsnelheid op de snijkracht is onbeduidend maar anders dan de aanvoersnelheid [28,29]. De krachtverhouding, zoals de invoerkracht / snijkracht, blijkt te dalen op zirkoniumoxide [28] en mulliet [29] resulteerde in een hogere Tmr, wat duidt op tekenen van significante verzachting van het werkstuk nabij de snijzone en quasi-plastische vervorming. Opgemerkt wordt dat de snijsnelheid de grootste invloed heeft op de oppervlakteruwheid, gevolgd door de voedingssnelheid en dieptewerking [30].

  Bij onderzoek van de chipmorfologie werd gevonden dat de materiaalverwijderings- temperatuur en krachtverhouding (Ff / Fc <1) een sleutelrol spelen tijdens de chipvorming in vergelijking met andere parameters [25,26]. Voor de temperatuur van het werkstuk in het bereik van 1260˚C-1410˚C, gebaseerd op het SEM-onderzoek van de verkregen chip, merkte Lei [25] op dat de plastische vervorming van siliciumnitride in de afschuifzone werd voortgezet door de verbeterde mobiliteit van de staaf zoals siliciumkorrels die wordt vergemakkelijkt door een vermindering van de viscositeit van de intergranulaire glasachtige fase bij de hogere temperatuur.

Voor mulliet ontwikkelde Patrick een laseropstelling met dubbele helling om de thermische breuk van het werkstuk te voorkomen vanwege de lage thermische diffusiviteit, breuktaaiheid en treksterkte van het poreuze materiaal, in vergelijking met siliciumnitride [28] en afgeleid in drie verschillende mechanisme zoals brosse breuk en semi-continue chip voor (Ff / Fc> 1) en werkings-temperatuurvenster van 800˚C-1000 ° C tot continue chipvorming voor (Ff / Fc <1) en werkings-temperatuurvenster groter dan 1300˚C. Dit teken wordt niet waargenomen wanneer LAM op zirkoniumoxide [28], maar plastische vervorming treedt op tijdens chipvorming samen met brosse breuk. De oppervlakteruwheid is niet gevoelig voor materiaalverwijderingstemperatuur tijdens LAM van siliciumnitride [25], maar het hangt af van de grootte en verdeling van siliciumnitridekorrels en van zirkoniumoxide [25,27]. Plaatselijke scheuren worden gepresenteerd op door warmte beïnvloede zone voorafgaande materiaalprocessen en blijven in de ondergrond wanneer de scheurdikte groter is dan de snijdiepte [27]. Daarom is het noodzakelijk om de materiaalverwijderingstemperatuur te regelen om een ​​scheurvrij oppervlak te produceren tijdens LAM. Tabel 3 vat de nieuwste onderzoeken in lasergestuurde bewerking van keramiek samen.

  3.4Ferrous legeringen

  Koolstofstaal met een laag koolstofgehalte, roestvrij staal en gehard staal zijn geclassificeerd op basis van op ijzer gebaseerd, moeilijk te bewerken materiaal en vonden toepassing in de automobielsector, zoals tandwielen, krukassen en motorblokken [10]. De bewerking van deze auto-onderdelen vormt echter een groot probleem, vanwege de hoge hardheid en breuktaaiheid met de traditionele verspaningstechnologie [31]. Het concept van de harddraaitechniek is bedoeld voor deze staalsoorten met een hardheid van meer dan 45 HRC. Deze techniek elimineert het secundaire proces, zoals slijpen en warmtebehandeling, die tot 60-90% van de uiteindelijke kosten van het machinaal bewerkte product [33]. Er is echter een experimenteel onderzoek met LAM uitgevoerd op AISI D2-staal [31], gecompacteerd grafietijzer [32], AISI 4130 staal [33], hoog chroom wit gietijzer [34] en XC42-staal [35], om om de totale bewerkingskosten te verlagen en de productiviteit te verhogen door een vervanging van het slijpproces en hard draaien.

Tabel 3 Samenvatting van de laserbewerkte bewerking van keramiek

  Opgemerkt wordt dat de afstand van het laserinstrument de meest significante invloed heeft op de snijkracht tijdens het bewerken van gehard XC42 staal dan de conventionele snijmethode met de grootste reductie van 65% voor de radiale snijdkracht en 85% voor de aanvoerkracht [35 ]. Experimentresultaten bevestigden dat de afstand van laserwerktuigen een cruciale factor is in het succes van lasergestuurde bewerking [34]. Dit komt omdat de temperatuur aan het oppervlak daalt naarmate de afstand tussen de laserspot en het snijgereedschap groter wordt en er meer tijd nodig is om de warmte in het werkstuk af te voeren.

  In LAM van AISI D2 staal wordt niet alleen de sterkte van de stuwkracht verminderd, maar ook de amplitudevariatie van de snijkracht wordt verminderd, wat wordt toegeschreven aan de grotere reductie van machinevibraties. Dit komt door de langere duur van de verwarmingscyclus en de verdeling van de laserstraal [31]. Voorverwarmingstemperatuur wanneer LAM van verdicht grafietijzer het meest wordt beïnvloed door laservermogen en voedingssnelheid [33]. Het is gebleken dat met behulp van laserwarmte de flankslijtage en het catastrofale falen van de hardmetalen gereedschappen wordt verminderd en de standtijd tot 100% voor LAM of D2 staal [31] wordt verkort, omdat het werkstuk rond 300˚ zacht wordt. C-400˚C voor de ongesneden chipdikte van 0,05 mm en een stabiele BUE die de snijkant beschermt tijdens LAM. De standtijd bij het bewerken van verdicht grafietijzer wordt echter aanzienlijk beïnvloed door de voedingssnelheid [32] In LAM van gehard staal worden de resterende spanningen compacter en neemt de indringdiepte van de spanningen af ​​in vergelijking met conventioneel snijden [33]. In tegenstelling tot titaniumlegering, verandert de chipmorfologie van zaagtandchip naar continue chip bij LAM van D2-staal als gevolg van hogere oppervlaktetemperatuur [31]. De vorming van zaagtandchip bij machinale bewerking is een van de belangrijkste oorzaken van chatter en vond dat het voorverwarmen van het werkstuk in LAM resulteert in een drastische vermindering van de amplitudetrillingen en chatter [31,32]. Tabel 4 geeft een overzicht van de nieuwste onderzoeken in laserbewerkte bewerking van ferrolegeringen.

Tabel 4 Samenvatting van de door laser ondersteunde bewerking van ferrolegeringen

  3.5Composite

  Composieten zijn inhomogeen van aard en worden meestal gevormd door het dispergeren van deeltjes, vezels en snorharen in een matrix. Opname van harde versterkende deeltjes / vezels verbetert de eigenschappen zoals kleefstof, abrasief, diffusieslijtvastheid, thermische eigenschappen, hardheid en stijfheid. De inherente uitdaging bij het bewerken van deze composieten is overmatige gereedschapsslijtage en daaropvolgende beschadiging van het werkstuk. Slechte bewerkbaarheid is vanwege vezeluittrekking, delaminatie, ongesneden vezels, hoge dimensionele afwijking en hoge oppervlakteruwheid [10].

  Verzachting van de Al-matrix door de laserenergie, die zachter en plastischer wordt, leidt tot een aanzienlijke reductie van krachtcomponenten in vergelijking met conventionele machinale bewerking. Op basis van microscopische analyse concludeerde Wang [36] dat de verzachte matrix gemakkelijk uit het machinaal bewerkte oppervlak wordt geperst, terwijl Al2O3-deeltje vanuit het bewerkte oppervlak wordt ingedrukt, wat leidt tot een hogere concentratie (37%) Al2O3-deeltjes in het oppervlak laag verhoogt de slijtvastheid van het bewerkte oppervlak. Dit resulteerde in een verbeterde oppervlakteafwerking en een langere standtijd. Hogere drukresiduspanning (3 keer dan conventionele machinale bewerking) wordt gerapporteerd met LAM. Barnes et al., Onderzochten het effect van warm bewerken (200 - 400 ° C) van Al / SiCp / 18P MMC's en vonden de langere standtijd dankzij de opgebouwde randen bij lage snijsnelheid [37]. Maar bij een hogere werkstuktemperatuur vertoont de composietstaaf een kortere standtijd dan bij conventionele bewerking.

Verder onderzoek naar deeltjesvormige MMC's (Al / SiCp / 20) werd uitgevoerd om het effect van de temperatuur van het werkstuk te bestuderen samen met een ander bereik van de snijsnelheid (bij zowel lagere als hogere snijsnelheid) en de resultaten geven aan dat de oppervlakteruwheid (37%), standtijd (40% bij 150 - 200 m / min vergeleken met 57% bij 50-100 m / min) en de schadediepte zijn afhankelijk van de snijsnelheid ten opzichte van conventionele bewerking door de criteria voor oppervlakteruwheid te definiëren als 2 μm [3]. Het effect van de temperatuur van het werkstuk op ondergrondse schade is relatief onafhankelijk als gevolg van een klein bereik van Ft / Fc. LAM op Al / Al2O3 / 60f toont echter dat waarneembare schade in termen van vezeluittrekking afneemt bij toenemende materiaalverwijderingstemperatuur. Aanvoersnelheid heeft een negatief effect op de standtijd en oppervlakteruwheid samen met de materiaalverwijderingstemperatuur van 300˚C [39]. Tabel 5 vat de nieuwste onderzoeken samen in lasergestuurde bewerking van composieten.

Tabel 5 Samenvatting van de laserbewerkte bewerking van composieten

  3.6 Snijgereedschapmaterialen gebruikt in moeilijk te bewerken materialen

  De inherente uitdaging tijdens het bewerken van deze moeilijk te verwerken materialen is dat het geselecteerde snijgereedschap bestand is tegen de mechanische en thermische belastingen bij hoge temperaturen. De verschillende soorten snijgereedschappen, keramiek, gecoate hardmetalen wisselplaten, CBN, PCD, PCBN worden gebruikt in LAM. PCBN wordt gebruikt voor LAM van siliciumnitride [25] en zirkoniumoxide [27], carbide-inzetstuk voor alumina [29] en mulliet [28]. De langere standtijd wordt echter waargenomen in PCBN in vergelijking met carbide wanneer LAM of Zirconia onder de testomstandigheden. Het meest voorkomende slijtage-mechanisme waargenomen bij laserbewerkte bewerking van zirkoniumoxide met PCBN is slijtage, diffusie en hechting [27]. Maar de slijpende en diffuse slijtage wordt niet waargenomen in LAM van siliciumnitride [25,30] in vergelijking met zirkoniumoxide [27] als gevolg van lage ductiliteit en thermische diffusie van zirkoniumoxide. PCD blijkt niet geschikt te zijn voor LAM op zirkoniumoxidekeramiek. Op basis van het onderzoek dat is uitgevoerd en onderzocht met verschillende soorten snijgereedschappen Ti-6AL-4V [15] en Inconel 718-legeringen [20], meldde dat TiAlN gecoate carbide-wisselplaten het meest geschikte hulpmiddel zijn voor LAM voor verbetering van de oppervlakteruwheid. Keramische inzetstukken worden beschouwd als een alternatief hulpmiddel voor het bewerken van legeringen op nikkelbasis [10, 22] voor een langere levensduur van het gereedschap, maar het is niet geschikt voor titaniumlegeringen vanwege chemische reactiviteit, slechte thermische geleidbaarheid en lage taaiheid. Hardmetalen inserts SPG 422 van Kennametal K68 [31] TiN gecoate of ongecoate snijplaten worden gebruikt voor het snijden van gehard staal en composieten. In het geval van LAM van composieten worden de carbide-inzetstukken gebruikt voor gunstige resultaten in termen van materiaalverwijderingssnelheid, verbeterde oppervlakte-integriteit en langere standtijd bij hogere snijsnelheid [38, 39].

  4.Scope voor optimalisatie van LAM-proces

  Voordelen van LAM ten opzichte van conventionele verspanende bewerkingen hebben veel onderzoek naar de verbetering van haalbaarheid en bewerkbaarheid aangetrokken, moeilijk te snijden materiaal. Weinig studies zijn systematisch onderzocht om de optimale waarde van de LAM-parameter te selecteren voor het verkrijgen van minimale snijkracht, redelijk goede MRR en effect van het type snijgereedschapmaterialen op het slijtagemechanisme. De optimale waarde van LAM-parameters is echter afhankelijk van zowel laserparameters als bewerkingsparameters. Het is moeilijk om de optimale bewerkingsparameters te vinden vanwege de complexiteit van invloedsparameters en hun interactie-effecten. Deze beoordeling richtte zich op het karakteriseren van het laser-ondersteunde bewerkingsproces door te identificeren hoe de individuele parameter de bewerkingsresultaten beïnvloedt. Vanwege de complexiteit is een statisch gebaseerd ontwerp van experimenten nodig om het effect van laserparameters op bewerkingsresultaten en hun effect op onderlinge interacties te onderzoeken om de optimale LAM-parameterinstelling te voorspellen. Meestal wordt de uitvoering van een bewerkingsproces vaak gekenmerkt door een groep reacties. Als er meer dan één respons in overweging wordt genomen, is het erg moeilijk om de optimale instelling te selecteren die tegelijkertijd alle kwaliteitseisen kan halen. Anders kan het optimaliseren van één kwaliteitskenmerk leiden tot ernstig kwaliteitsverlies voor andere kwaliteitskenmerken die mogelijk niet worden geaccepteerd. Daarom kan een simultane optimalisatiebenadering worden geïmplementeerd in het LAM-proces.

5. Conclusie

  In deze studie is een poging gedaan om de gedetailleerde analyse van lasergestuurde verspaning van moeilijk te verspanen materialen uit te voeren. De beoordelingsresultaten zijn als volgt samengevat:

  1.Het is duidelijk dat de door Laser ondersteunde bewerking kan worden gebruikt om de procesefficiëntie van materialen met moeilijk te snijden materialen te verhogen in vergelijking met conventionele methoden.

  2. Toch is nog meer onderzoek op dit gebied nodig om een ​​goed begrip te hebben van het mechanisme voor het verwijderen van procesmateriaal en om de procesparameter op de juiste manier te selecteren.

  3. Op simulatie gebaseerde modellen moeten worden ontwikkeld om de temperatuurverdeling in materiaal te analyseren, hetgeen noodzakelijk is om de mechanische sterkte te verminderen.

  4. De studies hebben alleen het enige parametrische effect op de bewerking van deze moeilijk te snijden materialen gerapporteerd. Gelijktijdige beïnvloeding van variatiefactoren bij het verkrijgen van gunstige verspaningsstudies is echter nog niet goed onderzocht op een alomvattende manier.

  5. Verder onderzoek moet worden uitgevoerd naar de optimale selectie van procesparameters van bundelgrootte, laservermogen, snijparameters zoals snijsnelheid, voedingssnelheid, snijdiepte en andere factoren voor het bereiken van de algehele productiviteit. De huidige onderzoeksinteresses omvatten ook het verkennen van de effecten van simultane invloed van machinale bewerkingsparameters door middel van experimentele en empirische methoden.

  6. De meeste van de recente onderzoeken naar LAM zijn grotendeels gericht op lasergestuurd draaien. Andere bewerkingsprocessen zoals frezen, boren en slijpen spelen echter een cruciale rol in productiesystemen.