Laserowe wspomaganie obróbki trudnych materiałów: możliwości badawcze i przyszłe kierunki - kompleksowa analiza

 Abstrakcyjny

  Stale o wysokiej wytrzymałości, takie jak nikiel i tytan oraz zaawansowane materiały inżynierskie, takie jak ceramika, kompozyty, są obecnie opracowywane i szeroko stosowane w przemyśle lotniczym, motoryzacyjnym, medycznym i jądrowym ze względu na ich właściwości fizyczne i mechaniczne. Konwersja tych nowych materiałów na produkty inżynierskie zawsze wiąże się z obróbką. Cechy skrawalności, takie jak większa siła skrawania, wyższa temperatura skrawania, słaba integralność powierzchni i krótsza trwałość narzędzi związana z tymi materiałami, stanowiące dla naukowców wiele wyzwań, a zatem uważane za trudne do cięcia materiały. Konwencjonalne metody obróbki tych materiałów okazały się nieekonomiczne. W ostatnich dniach podjęto wiele prób polepszenia obrabialności tych materiałów w bardziej skuteczny sposób dzięki zastosowaniu zewnętrznej obróbki wspomaganej energią. Wśród różnych zewnętrznych metod obróbki wspomaganej energią, obróbka wspomagana laserem (LAM) została przyciągnięta przez naukowców zajmujących się cięciem metali, a kilka badań przeprowadzono w ciągu ostatnich lat. Celem tego artykułu jest dokonanie przeglądu i podsumowania potencjalnego wykorzystania LAM dla trudnych materiałów, obecnego postępu, korzyści i wyzwań w obróbce laserowej. Ponadto nie opisano pracy ram optymalizacyjnych w celu zbadania wpływu parametrów lasera i parametrów procesu obróbki na wydajność skrawania, co ma zastosowanie do procesów przemysłowych. Stwierdzono, że dalsze modelowanie eksperymentalne i techniki empiryczne są wymagane do stworzenia modeli opartych na przewidywaniu, które dają dobre wyniki. porozumienie z wiarygodnymi eksperymentami, przy jednoczesnym wyjaśnieniu wpływu wielu parametrów, na obróbkę tych trudnych do cięcia materiałów.

1. Wstęp

  W ostatnich dziesięcioleciach opracowywane są zaawansowane materiały, takie jak superstopy na bazie tytanu i niklu, stopy żelaza, ceramika, kompozyty i stopy kobaltowo-chromowe do zastosowań o wysokiej wytrzymałości i odporności na ciepło, które obejmują przemysł motoryzacyjny, lotniczy, jądrowy, medyczny i elektroniczny [1] 10].

  Materiały te charakteryzują się doskonałym stosunkiem wytrzymałości do ciężaru, dużą odpornością na korozję i zdolnością do zachowania wysokiej wytrzymałości w wysokiej temperaturze. Wszystkie te materiały mają wyższą wytrzymałość i wytrzymałość w porównaniu do konwencjonalnych materiałów inżynierskich. Jednak zastosowania tych materiałów nie rosną obecnie, ponieważ stanowią połowę ostatecznego kosztu produktu do konwersji końcowego składnika [1, 2]. Jest to spowodowane niską prędkością skrawania, mniejszą głębokością skrawania z powodu nadmiernego zużycia narzędzia. Dlatego te materiały są uważane za trudne do cięcia materiałów. Podczas obróbki występuje wiele problemów, takich jak nadmierne wytwarzanie ciepła w strefie skrawania i wysokie tarcie między interfejsem narzędzia-wiór, tendencja do formowania BUE i katastrofalne uszkodzenie ostrza [3,4,5]. Może to mieć znaczący wpływ na wydajność procesu obróbki, na przykład słabą obrabialność, wysokie koszty obróbki i niską produktywność. Ze względu na nieodłączne właściwości trudnego do cięcia materiału, konwencjonalne metody obróbki, takie jak frezowanie lub toczenie, okazują się niewydajne. Obecnie stosuje się wiele innowacyjnych procesów obróbki, takich jak obróbka ścierna, obróbka laserowa, obróbka wyładowań elektrycznych, obróbka chemiczna, metody obróbki wspomagane termicznie, takie jak obróbka wspomagana laserem, obróbka wspomagana plazmowo. Wśród wielu podejść jednym podejściem, które staje się coraz bardziej popularne w materiałach trudnych w obróbce maszynowej, jest obróbka wspomagana laserem (LAM) ze względu na wyższe korzyści, znaczny wzrost technologii i rentowność komercyjną.

W tym kontekście niniejszy artykuł podkreśla aktualny postęp i wyzwania w LAM w odniesieniu do wpływu parametrów lasera i parametrów obróbki na wydajność procesu trudnych do cięcia materiałów.

2.Laser Assisted Machining - Overview

  Obróbka wspomagana laserem jest metodą hybrydową, która wykorzystuje laser o dużej mocy do miejscowego nagrzewania obrabianego przedmiotu przed usunięciem materiału za pomocą tradycyjnego narzędzia tnącego. W podwyższonych temperaturach granica plastyczności kruchego materiału zmniejsza się poniżej wytrzymałości na pękanie zmieniając zachowanie odkształcenia materiału z kruchego na ciągliwe. Również w podwyższonych temperaturach granica plastyczności mocnego, plastycznego materiału zmniejsza się, zmniejszając siłę skrawania i zużycie narzędzia, a także poprawiając jakość powierzchni [6]. Rysunek 1 pokazuje schemat obróbki laserowej.

  Dwa główne źródła laserowe są szeroko stosowane w eksperymentach LAM to laser CO2 i laser Nd: YAG. Ten ostatni, mający krótszą długość fali, ma lepszą chłonność. Laser CO2 ma mniej korzystny wpływ na większość trudnych materiałów, takich jak Inconel, hartowana stal i materiały kompozytowe w porównaniu do Nd: YAG ze względu na niską absorpcję energii lasera [7,8,9]. Większość badań skupiała się na korzyściach z LAM i zajęła się wyzwaniami związanymi z obróbką konwencjonalną. Jednak wyniki obróbki LAM zależą zarówno od parametrów procesu obróbki, jak i parametrów lasera. Głównymi parametrami roboczymi związanymi z obróbką wspomaganą laserem są: moc lasera, średnica punktowa wiązki laserowej, prędkość skrawania, posuw i głębokość skrawania. Optymalne ustawienie dla LAM jest trudne ze względu na wiele parametrów kontrolnych i ich interakcje. Ponadto potrzebne jest badanie statystyczne oparte na projektowaniu eksperymentów w celu zbadania wpływu optymalnego parametru LAM, a ich interakcji brakowało w publikacji.

  3. Wpływ parametrów lasera i parametrów obróbki na trudne do obróbki materiały

  Ostatnio LAM zidentyfikował ważną dziedzinę badań i zastosował ją do wielu materiałów o wysokiej wytrzymałości i wysokiej twardości. Aby uzyskać maksymalne korzyści z LAM, należy zrozumieć wpływ interakcji parametrów procesu laserowego na różne materiały obrabianego przedmiotu i optymalne poziomy w celu uzyskania niższej siły skrawania, niskiego kosztu obróbki i jakości powierzchni [7]. Temperatura powierzchni obrabianego przedmiotu, prędkość skrawania, prędkość posuwu, głębokość cięcia, średnica plamki lasera, odległość prowadzenia lasera, długość ogniskowej odgrywa znaczącą rolę w procesie LAM, aby uniknąć uszkodzenia powierzchni i przedwczesnego uszkodzenia narzędzi skrawających. W tej części omówiono parametry lasera efektowego wraz z parametrami obróbki na różnych trudnych do cięcia materiałach.

  3.1Stopy tytanu

  Stopy tytanu są atrakcyjnymi materiałami w przemyśle lotniczym, motoryzacyjnym, biomedycznym, jądrowym i gazowym ze względu na ich doskonałe właściwości fizyko-mechaniczne, takie jak doskonały stosunek wytrzymałości do wagi, wysoka odporność na korozję i zdolność zatrzymywania wysokiej wytrzymałości w wysokiej temperaturze [10,11 12]. Te właściwości wraz z niskim modułem sprężystości, niską przewodnością cieplną, wysoką wytrzymałością i twardością w podwyższonej temperaturze oraz reaktywnością chemiczną z narzędziami skrawającymi powodują, że obróbka tych materiałów jest niezwykle trudna, co skutkuje krótszą żywotnością narzędzia [10]. Niższa prędkość skrawania i krótsza trwałość narzędzia, co prowadzi do wyższych kosztów obróbki tych stopów [11]. Podjęto kilka prób badawczych w celu analizy skrawalności za pomocą suchej, wspomaganej kriogenicznie obróbki w celu zwiększenia prędkości skrawania i trwałości narzędzia. Badania pokazują, że kriogeniczna obróbka wspomagana zapewnia znaczną poprawę trwałości narzędzia w porównaniu z obróbką na sucho [12]. Połączenie niskiego posuwu / wysokiej głębokości skrawania wydłuża żywotność narzędzia o 6 razy w porównaniu z wysokim posuwem / małą głębokością skrawania przy stałej prędkości skrawania 125 m / min przy użyciu ciekłego azotu jako chłodziwa [13,14]. Ze względu na znaczny wzrost obróbki laserowej, której celem jest poprawa skrawalności tytanu [7,8]. Przy wyższej prędkości skrawania, LAM skutkuje krótszą trwałością narzędzia ze względu na zużycie dyfuzyjne przy temperaturze usuwania materiału wynoszącej 250 ° C w porównaniu do konwencjonalnej obróbki mechanicznej [15]. Jednak korzyści LAM dla tych stopów poprzez obróbkę hybrydową, tj. LAM, w obróbce kriogenicznej [15], i wskazują maksymalną trwałość narzędzia, w sensie MRR, z powodu niższej temperatury interfejsu narzędzia-czopa, mniejszego tarcia między narzędziem skrawającym a obrabianym przedmiotem. Zaobserwowano, że wkładki tnące z węglików spiekanych TiAlN zapewniają ogólną oszczędność czasu użytkowania narzędzi podczas obróbki LAM i hybrydowej [15].

Przeprowadzono dalsze badania nad zaletami niepowlekanych płytek skrawających z węglików spiekanych z kriogenicznymi czynnikami chłodzącymi do badania żywotności narzędzia i mechanizmu zużycia podczas obracania Ti-6Al-4V z dużą prędkością (125 m / min). Wynik pokazuje, że obróbka za pomocą chłodziwa znacznie wydłuża żywotność narzędzia o 235% w porównaniu do samej LAM i okazało się, że chłodziwo tłumi przyczepność, zużycie dyfuzyjne, które znacząco poprawia trwałość narzędzia [16]. Jednak badacze koncentrują się na potencjale LAM w zastosowaniach przemysłowych poprzez krytyczną analizę wpływu wiązki laserowej na siłę skrawania i temperaturę skrawania oraz spowodowały znaczne zmniejszenie siły cięcia (15%) [17]. Zaobserwowano, że wraz ze wzrostem energii laserowej (między 1200 W - 1600 W i plamą wiązki laserowej o wielkości 2-3 mm), obserwuje się zmniejszenie siły cięcia o> 10% w zakresie prędkości cięcia 25 - 125 m / min, a także zaobserwowano krótszą żywotność narzędzia przy prędkości cięcia> 150 m / min. Badanie morfologii wiórów na LAM pokazuje, że tworzenie się wiórów zależy silnie od prędkości cięcia i mocy lasera [18]. Zaobserwowano, że przy stałej energii lasera zmiana z piły na ciągły układ scalony i powrót do zęba piłowego przy wyższej prędkości skrawania.

Tabela 1 podsumowuje najnowsze badania w zakresie obróbki laserowej stopów tytanu.

  3.2 Stopy na bazie niklu

  Stopy na bazie niklu, takie jak Inconel, Hastelloys, Waspaloys i Udimet są kolejnymi atrakcyjnymi materiałami na stopy tytanu stosowane w przemyśle lotniczym i nuklearnym, takim jak turbiny gazowe, silniki odrzutowe i zbiorniki oporowe ze względu na właściwości chemiczne i mechaniczne w podwyższonej temperaturze [10]. Ze względu na wysoką temperaturę w strefie skrawania przy ul 1200˚C, chemiczne

Tabela 1 Podsumowanie obróbki laserowej stopów tytanu

reaktywność z większością narzędzi skrawających i obecność twardych cząstek ściernych, takich jak TiC, CrC, MoC w mikrostrukturze, co utrudnia obróbkę tych stopów i sprzyja zużyciu ściernemu. Powoduje to niską prędkość skrawania, krótszą żywotność narzędzia, niską jakość powierzchni, a tym samym wysoki koszt obróbki [19,20].

  W ostatnich latach wykorzystano LAM w celu poprawy skrawalności stopów na bazie niklu. Ponieważ twardość Inconelu spadła szybko powyżej 600 ° C-700 ° C, a zatem temperatura usuwania materiału (Tmr) materiału przedmiotu obrabianego nie musi być podwyższona w przeciwieństwie do LAM z ceramiki. Ze względu na niską chłonność metali, laser o dużej mocy został zastosowany na Inkonelu 718 we wczesnych stadiach [19]. Anderson i in. Podali, że szybkość absorpcji w Inconelu 718 można poprawić za pomocą kleju grafitowego na powierzchni dla lasera CO2 i wyniki są udowodnione. Jednak nałożona powłoka nie może utrzymać się w wysokiej temperaturze, a wiele jednostek laserowych stosuje się jednocześnie na nie odwróconej powierzchni i sfazowanej powierzchni w celu poprawy skrawalności [20]. Energia lasera o dużej mocy, mała średnica wiązki laserowej, mniejszy posuw i większy czas wstępnego podgrzewania mogą spowodować wymaganą wartość Tmr na obrabianym przedmiocie [21]. Z drugiej strony, wraz z Tmr, prędkość posuwu ma największy wpływ na określoną energię cięcia. Gdy energia lasera ogrzewa powierzchnię materiału do 540˚C dla Inconel 718 [20], a pomiędzy 300-400˚C dla Waspaloy [23], średnie zużycie powierzchni bocznej i zużycie karby maleje wraz ze wzrostem prędkości z 60 m / min do 180 m / min dla Inconel 718 i dla Waspaloy.

Integralność powierzchni obrabianej (chropowatość, uszkodzenie powierzchni / podłoża, naprężenie szczątkowe, mikrotwardość), w szczególności chropowatość powierzchni, została nieznacznie poprawiona dzięki zastosowaniu wkładek ceramicznych w LAM nad obróbką konwencjonalną [22]. Analiza porównawcza płytek ceramicznych i węglikowych przy użyciu LAM jest eksperymentowana i spowodowała, że ​​żywotność niepowleczonej wkładki z węglika jest mniejsza w porównaniu do konwencjonalnej obróbki mechanicznej [22]. Dalsze eksperymenty przeprowadzono przy użyciu narzędzia tnącego Sailon i stwierdzono, że chropowatość powierzchni poprawiła się o 25% dla narzędzia ceramicznego, co przyniosło korzystny wynik pomimo wcześniejszych badań związanych z niską jakością powierzchni [21]. Ponadto LAM spowodował znaczny wzrost szybkości usuwania materiału. Narzędzie ceramiczne Sailon wykazało 800% wzrost szybkości usuwania materiału i 50% większą trwałość narzędzia w porównaniu do obróbki konwencjonalnej. W tabeli 2 podsumowano najnowsze badania dotyczące obróbki laserowej stopów na bazie niklu.

Tabela 2 Podsumowanie obróbki wspomaganej laserem superstopów na bazie niklu

  3.3Ceramiki

  Zaawansowana ceramika konstrukcyjna, taka jak mulit, tlenek cyrkonu, tlenek glinu i azotek krzemu, jest identyfikowana jako kolejny atrakcyjny materiał ze względu na jego właściwości ściskające [24,26,27,28]. Ze względu na ich małą gęstość, doskonałą odporność na zużycie i wysoką wytrzymałość temperaturową, są one zwykle wykorzystywane do produkcji krytycznych komponentów w przemyśle motoryzacyjnym i lotniczym. Większość wcześniejszych badań nad LAM przeprowadzono na tym materiale ze względu na ich twardość i kruchość [24, 25]. Stwierdzono, że narzędzie skrawające PCBN pokazuje dłuższe narzędzie (na przykład 121 min), gdy LAM na cyrkonie o Tmr 900 ° C -1100 ° C [27] i wkładkę z węglika używano do LAM na tlenku glinu w 850 ° C [ 29] i mullitu (powiedzmy 44 min) [28]. Trzy dominujące mechanizmy zużywania, takie jak ścieranie, przyleganie i dyfuzja są przypisywane do zużycia narzędzia i silnie zależą od temperatury usuwania materiału [27]. Dlatego konieczne jest znalezienie optymalnej temperatury usuwania materiału dla dłuższej żywotności narzędzia [26]. Jednak znalezienie optymalnej Tmr jest trudne ze względu na złożoność parametrów wpływu i ich wzajemne oddziaływania.

  Okazuje się, że siła cięcia i specyficzna energia skrawania zmniejszają się wraz ze wzrostem temperatury powierzchni z energią lasera, gdy LAM na ceramice, ale nie wpływa znacząco na odległość prowadzenia narzędzia laserowego [25,27,28]. Wpływ prędkości skrawania na siłę skrawania jest nieznaczny, ale poza tym szybkość podawania [28,29]. Stwierdzono, że stosunek siły, taki jak siła posuwu / siła skrawania zmniejsza się w przypadku tlenku cyrkonu [28], a mulit [29] daje wyższe Tmr, co wskazuje na znaczne zmiękczenie przedmiotu obrabianego w pobliżu strefy cięcia i quasi-plastyczne odkształcenie. Zauważono, że prędkość skrawania ma najbardziej znaczący wpływ na chropowatość powierzchni, a następnie prędkość posuwu i głębokość cięcia [30].

  Podczas badania morfologii wióra okazało się, że temperatura usuwania materiału i współczynnik siły (Ff / Fc <1) odgrywa kluczową rolę podczas tworzenia się wiórów w porównaniu z innymi parametrami [25,26]. Dla temperatury przedmiotu obrabianego w zakresie 1260 ° C-1410 ° C, w oparciu o badanie SEM uzyskanych wiórów, Lei [25] zaobserwował, że plastyczna deformacja azotku krzemu w strefie ścinania była kontynuowana przez zwiększoną ruchliwość pręta. jak ziarna krzemu, które ułatwiają zmniejszenie lepkości międzyfazowej fazy szklistej w wyższej temperaturze.

W przypadku mullitu Patrick opracował eksperymentalną konfigurację lasera z podwójną rampą, aby zapobiec termicznemu pęknięciu obrabianego przedmiotu z powodu niskiej dyfuzyjności cieplnej, wytrzymałości na pękanie i wytrzymałości na rozciąganie porowatego materiału, w porównaniu z azotkiem krzemu [28] i wywnioskowanej w trzech różnych mechanizm taki jak kruche pękanie i półciągły chip dla (Ff / Fc> 1) i robocze okno robocze temperatury 800 ° C-1000 ° C do ciągłego tworzenia wiórów dla (Ff / Fc <1) i działające okno temperatury roboczej większe niż 1300˚C. Ten znak nie jest obserwowany, gdy LAM na cyrkonie [28], ale odkształcenie plastyczne występuje podczas tworzenia się wiórów wraz z kruchego pęknięcia. Chropowatość powierzchni nie jest wrażliwa na temperaturę usuwania materiału podczas LAM azotku krzemu [25], ale zależy od wielkości i rozkładu ziaren azotku krzemu i tlenku cyrkonu [25, 27]. Lokalne pęknięcia są przedstawiane w strefie wpływu ciepła przed procesami materiałowymi i pozostają w podpowierzchni, gdy grubość pękania jest większa niż głębokość skrawania [27]. Dlatego konieczne jest kontrolowanie temperatury usuwania materiału w celu wytworzenia powierzchni bez pęknięć podczas LAM. W tabeli 3 podsumowano najnowsze badania dotyczące laserowej obróbki ceramiki.

  3.4Stopy ferrytowe

  Stale niskowęglowe, stal nierdzewna i utwardzana zostały sklasyfikowane jako trudnościeralne materiały na bazie żelaza i znalazły zastosowanie w motoryzacji, takie jak koła zębate, wały korbowe i bloki silnika [10]. Jednakże obróbka skrawaniem tych komponentów samochodowych stanowi poważny problem, ze względu na wysoką twardość i odporność na pękanie przy użyciu tradycyjnej technologii obróbki [31]. Pojęcie techniki toczenia twardego odnosi się do stali, której twardość przekracza 45 HRC. Technika ta eliminuje proces wtórny, taki jak szlifowanie i obróbka cieplna, które stanowią do 60-90% ostatecznego kosztu obrabianego produktu [33]. Badania eksperymentalne z wykorzystaniem LAM przeprowadzono jednak na stali AISI D2 [31], żelazie grafitowym zagęszczonym [32], stali AISI 4130 [33], żeliwie z białego chromu [34] i stali XC42 [35], w celu zmniejszenia ogólnych kosztów obróbki i zwiększenia wydajności poprzez zastąpienie procesu szlifowania i twardego toczenia.

Tabela 3 Podsumowanie obróbki laserowej ceramiki wspomaganej laserem

  Zauważono, że odległość narzędzia laserowego ma najbardziej znaczący wpływ na siłę skrawania podczas obróbki hartowanej stali XC42 niż konwencjonalna metoda cięcia przy największym zmniejszeniu o 65% dla promieniowej siły skrawania i 85% dla siły posuwu [35] ]. Wyniki eksperymentów potwierdziły, że odległość narzędzia laserowego jest kluczowym czynnikiem powodzenia obróbki laserowej [34]. Dzieje się tak dlatego, że temperatura na powierzchni spada wraz ze wzrostem odległości między plamką laserową a narzędziem skrawającym i zabiera więcej czasu, aby rozproszyć ciepło w obrabianym przedmiocie.

  W LAM stali AISI D2 nie tylko wielkość siły ciągu jest zmniejszona, ale również zmienność amplitudy siły skrawania jest zmniejszona, co przypisuje się większej redukcji drgań maszyny. Wynika to z dłuższego czasu trwania cyklu ogrzewania i dystrybucji wiązki laserowej [31]. Temperatura wstępnego podgrzewania, gdy LAM zagęszczonego żelaza grafitowego ma największy wpływ na moc lasera i szybkość podawania [33]. Stwierdzono, że przy pomocy ciepła laserowego zużycie powierzchni bocznej i katastrofalna awaria narzędzi węglikowych jest zmniejszona, a żywotność narzędzia aż o 100% LAM stali D2 [31], ze względu na zmiękczenie obrabianego przedmiotu około 300˚. C-400˚C dla nie pociętej grubości wióra 0,05 mm i stabilnego BUE, który chroni krawędź skrawającą podczas LAM. Jednakże trwałość narzędzia przy obróbce prasowanego żeliwa grafitowego zależy w dużej mierze od szybkości podawania [32] W LAM stali hartowanych, naprężenia szczątkowe stają się bardziej ściskające, a głębokość penetracji naprężeń staje się mniejsza w porównaniu do cięcia konwencjonalnego [33]. W przeciwieństwie do stopu tytanu, morfologia wiórów zmienia się w wióry piły do ​​ciągłego wióra, gdy LAM stali D2 jest spowodowany wyższą temperaturą powierzchni [31]. Tworzenie się wiórów w obróbce jest jedną z głównych przyczyn drgań i okazało się, że wstępne ogrzanie detalu w LAM prowadzi do radykalnego zmniejszenia wibracji i drgań amplitudy [31, 32]. W tabeli 4 podsumowano najnowsze badania dotyczące obróbki laserowej stopów żelaza.

Tabela 4 Podsumowanie obróbki laserowej stopów żelaza

  3.5Composite

  Kompozyty są z natury niejednorodne, zwykle powstają przez rozproszenie cząstek, włókien i wiskerów w matrycy. Włączenie twardych cząstek / włókien wzmacniających poprawia właściwości takie jak klej, ścierniwo, odporność na zużycie dyfuzyjne, właściwości termiczne, twardość i sztywność. Nieodłącznym wyzwaniem związanym z obróbką skrawaniem tych kompozytów jest nadmierne zużycie narzędzia i późniejsze uszkodzenia w obrabianym przedmiocie. Zła podatność na obróbkę wynika z wyciągania włókien, rozwarstwiania, nieprzeciętych włókien, dużych odchyleń wymiarów i wysokiej chropowatości powierzchni [10].

  Zmiękczenie matrycy Al przez energię lasera, która staje się bardziej miękka i plastyczna, prowadzi do znacznego zmniejszenia składników siły w porównaniu do konwencjonalnej obróbki. Na podstawie analizy mikroskopowej Wang [36] wywnioskował, że zmiękczona matryca jest łatwo wyciśnięta z obrabianej powierzchni, podczas gdy cząsteczka Al2O3 jest wypychana z obrabianej powierzchni, co prowadzi do wyższego stężenia (37%) cząstek Al2O3 na powierzchni warstwa zwiększa odporność na zużycie obrabianej powierzchni. Spowodowało to poprawę wykończenia powierzchni i dłuższą żywotność narzędzia. Wyższe naprężenie szczątkowe ściskające (3 razy niż w przypadku konwencjonalnej obróbki mechanicznej) jest zgłaszane w przypadku LAM. Barnes i in. Badali jednak wpływ obróbki na gorąco (200-400 ° C) MMC Al / SiCp / 18P i stwierdzili, że zwiększona trwałość narzędzia wynika z powstawania krawędzi przy niskiej prędkości skrawania [37]. Ale przy wyższej temperaturze przedmiotu obrabianego pręt złożony wykazuje krótszą żywotność niż w przypadku konwencjonalnej obróbki.

Dalsze badania nad cząsteczkowymi MMC (Al / SiCp / 20) przeprowadzono w celu zbadania wpływu temperatury przedmiotu obrabianego wraz z innym zakresem prędkości skrawania (przy zarówno niższej jak i wyższej prędkości skrawania), a wyniki wskazują, że chropowatość powierzchni (37%), trwałość narzędzia (40% przy 150-200 m / min w porównaniu do 57% przy 50-100 m / min), a głębokość uszkodzenia zależy od prędkości skrawania w porównaniu z konwencjonalną obróbką, określając kryteria chropowatości powierzchni jako 2 μm [3]. Wpływ temperatury przedmiotu obrabianego na uszkodzenia podpowierzchniowe jest względnie niezależny ze względu na mały zakres Ft / Fc. Jednak LAM na Al / Al2O3 / 60f wykazuje obserwowalne uszkodzenie pod względem wyciągania włókien zmniejsza się wraz ze wzrostem temperatury usuwania materiału. Szybkość posuwu ma negatywny wpływ na trwałość narzędzia i chropowatość powierzchni wraz z temperaturą usuwania materiału 300˚C [39]. W tabeli 5 podsumowano najnowsze badania w zakresie laserowej obróbki kompozytów.

Tabela 5 Podsumowanie laserowej obróbki kompozytów

  3.6Cięcie materiałów narzędziowych stosowanych w trudnych do obróbki materiałów

  Nieodłącznym wyzwaniem podczas obróbki tych trudnych materiałów jest to, że wybrane narzędzie tnące powinno wytrzymywać mechaniczne i termiczne naprężenia w wysokiej temperaturze. Różne rodzaje narzędzi skrawających, ceramiki, powlekanych płytek węglikowych, CBN, PCD, PCBN są stosowane w LAM. PCBN stosuje się dla LAM azotku krzemu [25] i tlenku cyrkonu [27], wkładki węglikowej na tlenek glinu [29] i mulitu [28]. Jednak w PCBN obserwuje się dłuższą żywotność narzędzia w porównaniu z węglikiem, gdy LAM cyrkonu występuje w warunkach testu. Najczęstszym mechanizmem zużycia zaobserwowanym podczas laserowej obróbki tlenku cyrkonu za pomocą PCBN jest ścieranie, dyfuzja i przyczepność [27]. Jednak zużycie ścierne i dyfuzyjne nie jest obserwowane w LAM azotku krzemu [25,30] w porównaniu z tlenkiem cyrkonu [27] ze względu na niską ciągliwość i dyfuzyjność cieplną tlenku cyrkonu. Stwierdzono, że PCD nie nadaje się do LAM na ceramice z tlenku cyrkonu. Na podstawie przeprowadzonych badań i badań różnych rodzajów narzędzi tnących Ti-6AL-4V [15] i stopów Inconel 718 [20] stwierdzono, że płytki z węglików spiekanych pokryte TiAlN są najodpowiedniejszym narzędziem dla LAM do poprawy chropowatości powierzchni. Wypustki ceramiczne są uważane za alternatywne narzędzie do obróbki stopów na bazie niklu [10, 22], co zapewnia większą trwałość narzędzia, ale nie nadaje się do stopów tytanu ze względu na reaktywność chemiczną, słabą przewodność cieplną i niską wiązkość. Wkładki z węglika SPG 422 firmy Kennametal K68 [31] albo wkładki tnące z powłoką TiN lub niepowlekaną stosuje się do cięcia stali hartowanej i kompozytów. W przypadku LAM kompozytów, płytki węglikowe są stosowane dla uzyskania korzystnych wyników pod względem szybkości usuwania materiału, lepszej integralności powierzchni i dłuższej trwałości narzędzia przy wyższej prędkości skrawania [38, 39].

  4. Zakres optymalizacji procesu LAM

  Zalety LAM nad konwencjonalną obróbką skrawaniem przyciągnęły wiele badań nad polepszeniem wykonalności i skrawalności za trudny do wycięcia materiał. Niewiele badań było systematycznie badanych w celu dobrania optymalnej wartości parametru LAM w celu uzyskania minimalnej siły skrawania, względnie dobrego MRR i wpływu rodzaju materiałów narzędzi skrawających na mechanizm zużywania. Jednak optymalna wartość parametrów LAM zależy zarówno od parametrów lasera, jak i parametrów obróbki. Trudno jest znaleźć optymalne parametry obróbki ze względu na złożoność parametrów wpływu i ich oddziaływania interakcyjne. Przegląd ten skupił się na scharakteryzowaniu procesu obróbki wspomaganego laserem poprzez identyfikację wpływu poszczególnych parametrów na wyniki obróbki. Ze względu na złożoność, statyczna konstrukcja eksperymentów jest potrzebna do zbadania wpływu parametrów lasera na wyniki obróbki i ich wzajemnego oddziaływania w celu przewidzenia optymalnego ustawienia parametru LAM. Zwykle wydajność procesu obróbki często charakteryzuje się grupą odpowiedzi. Jeżeli bierze się pod uwagę więcej niż jedną odpowiedź, bardzo trudno jest wybrać optymalne ustawienie, które jednocześnie może spełnić wszystkie wymagania jakościowe. W przeciwnym razie optymalizacja jednej cechy jakości może prowadzić do poważnej utraty jakości do innych cech jakościowych, które mogą nie zostać zaakceptowane. W związku z tym w procesie LAM można wdrożyć podejście do optymalizacji jednoczesnej.

5. Wniosek

  W tym badaniu podjęto próbę szczegółowego przeglądu obróbki laserowej trudnych do cięcia materiałów. Wyniki przeglądu podsumowano w następujący sposób:

  1. Jest oczywiste, że obróbka wspomagana laserem może być wykorzystana do zwiększenia wydajności procesowej materiałów o trudnych do cięcia w porównaniu do metod konwencjonalnych.

  2.Jednakże dalsze badania w tym obszarze są wymagane, aby dobrze zrozumieć mechanizm usuwania materiału procesowego i wybrać odpowiedni parametr procesu.

  3. Należy opracować modele oparte na symulacji, aby przeanalizować rozkład temperatury na materiał, który jest niezbędny do zmniejszenia wytrzymałości mechanicznej.

  4. Badania przedstawiają tylko jeden parametryczny efekt obróbki tych trudnych materiałów. Równoczesny wpływ czynników zmienności na uzyskiwanie korzystnych wyników badań skrawania nie został jednak zbadany w sposób kompleksowy.

  5. Konieczne są dalsze badania nad optymalnym doborem parametrów procesu wielkości wiązki, mocy lasera, parametrów cięcia, takich jak prędkość skrawania, posuw, głębokość skrawania i inne czynniki dla osiągnięcia ogólnej wydajności. Aktualne zainteresowania badawcze obejmują również badanie wpływu równoczesnego wpływu parametrów obróbki za pomocą metod eksperymentalnych i empirycznych.

  6. Większość ostatnich badań nad LAM koncentrowała się głównie na toczeniu wspomaganym laserem. Jednak inne procesy obróbki, takie jak frezowanie, wiercenie i szlifowanie, odgrywają istotną rolę w systemach produkcyjnych.