Forschungsfortschritt der laserheizungsunterstützten Schneidtechnologie

Zusammenfassung: Dieser Beitrag fasst die Forschungsfortschritte der lasererwärmungsunterstützten Schneidtechnologie in den letzten Jahren zusammen. Unter dem Aspekt der experimentellen Forschung werden die Bearbeitungseigenschaften des lasererwärmungsunterstützten Drehens, Fräsens, Bohrens und Schleifens zusammengefasst und die Auswirkungen von Laserparametern und Schneidparametern auf die Bearbeitungsqualität beschrieben. Studien haben gezeigt, dass innerhalb eines bestimmten Bereichs eine angemessene Erhöhung der Laserleistung, eine Verringerung der Schnittgeschwindigkeit und eine Verringerung der Vorschubgeschwindigkeit der vollständigen Erweichung des Materials in der Schneidzone förderlich sind, was die Bearbeitung von Werkstückmaterialien und die Verarbeitung verbessern kann Effizienz und Verarbeitungsqualität. Derzeit konzentriert sich die Simulationsforschung des lasererwärmungsunterstützten Schneidens hauptsächlich auf die Simulation des Schneidtemperaturfeldes und des Schneidprozesses. Durch die Erstellung eines Temperaturfeldmodells ist es möglich, den optimalen Temperaturbereich für den Materialabtrag vorherzusagen und die Bearbeitungsparameter zu optimieren. Die Simulation des Schneidprozesses untersucht die Auswirkungen physikalischer Größen wie Spannung, Dehnung und Temperatur und bietet eine Grundlage für die Kontrolle der Oberflächenqualität von Teilen während der tatsächlichen Bearbeitung. Folgearbeiten sollten die Forschung zu Verarbeitungsmechanismus, Verarbeitungstechnologie, Simulationsoptimierung und anderen Aspekten weiter stärken, eine perfekte Laserheizungs-Hilfsschneidverarbeitungsdatenbank einrichten, um die industrielle Anwendung der Technologie zu fördern. In den letzten Jahren fortschrittliche technische Materialien wie Engineering Keramik, Verbundwerkstoffe, Hochtemperaturlegierungen und Titanlegierungen haben hervorragende Eigenschaften wie hohe Festigkeit, Verschleißfestigkeit, Korrosionsbeständigkeit und gute thermische Stabilität. Sie werden in der Maschinen-, Chemie-, Luft- und Raumfahrt- und Nuklearindustrie eingesetzt. Das Feld ist weit verbreitet. Wenn diese Materialien durch herkömmliche Verfahren verarbeitet werden, sind aufgrund der Eigenschaften hoher Härte, hoher Festigkeit und geringer Plastizität die Schneidkraft und die Schneidtemperatur sehr hoch, der Werkzeugverschleiß ist stark, die Bearbeitungsqualität ist schlecht und die Bearbeitungsgeometrie ist es begrenzt. Die laserunterstützte Bearbeitung (Laser Assisted Machining, LAM) verwendet eine Lasererwärmung, um das Material der Schneidzone zu erweichen und ein Werkzeug zum Schneiden zu verwenden. Im Vergleich zur konventionellen Bearbeitung reduziert es die Schnittkraft, verlängert die Werkzeuglebensdauer, verbessert die Bearbeitungsqualität und die Bearbeitungseffizienz. Solche Aspekte zeigen viele Vorteile und bieten einen effektiven Weg, um die Verarbeitung schwieriger Materialien zu lösen. Daher hat sich die lasererwärmungsunterstützte Schneidtechnologie in den letzten Jahren zu einem der Forschungsschwerpunkte im Bereich der Zerspanung entwickelt. Die lasererwärmungsunterstützte Schneidetechnologie hat seit ihrer Einführung im Jahr 1978 nach jahrzehntelanger Entwicklung einen langen Weg zurückgelegt. Königet al. übernahm die Führung bei der Anwendung der laserbeheizten Hilfsdrehtechnologie auf die Bearbeitung von Siliziumnitrid-Keramikmaterialien, verbesserte die Materialbearbeitungsleistung und erzielte eine bearbeitete Oberfläche mit einer Oberflächenrauheit Ra von weniger als 0,5 μm. Yanget al. führten lasererwärmungsunterstützte Fräsexperimente an Siliziumnitridkeramiken durch. Die Ergebnisse zeigen, dass bei Verwendung der lasergestützten Erwärmung zur Erhöhung der Schnittzonentemperatur von 838℃ auf 1319℃ die Schnittkraft um fast 501 TP2T reduziert wird und die Kante bricht. Das Phänomen wurde deutlich reduziert und die Qualität der bearbeiteten Oberfläche wurde verbessert, was die Machbarkeit des lasergestützten Fräsens von Keramikmaterialien demonstrierte. Andersonet al. Laserunterstütztes Drehen von Inconel 718-Material im Vergleich zur herkömmlichen Bearbeitung (Schneidenergie erforderlich, um das Einheitsvolumen des Materials zu entfernen), reduzierte 25% und die Werkzeugstandzeit wurde um das 2- bis 3-fache erhöht. Dandekaret al. führten ein durch Lasererwärmung unterstütztes Drehexperiment an dem mit Siliziumnitridpartikeln verstärkten Aluminiummatrix-Verbundwerkstoff A359/20SiCP durch. Verglichen mit der herkömmlichen Bearbeitung kann die Energie um 12% reduziert werden, die Werkzeuglebensdauer wird um das 1,7- bis 2,35-fache verbessert und die Oberflächenrauheit Ra wird verringert. 37%. Wu Xuefeng et al. fanden heraus, dass, wenn das Material der Hochtemperaturlegierung GH4698 lasererhitzt und beim Fräsen unterstützt wurde, die Materialfestigkeit bei einer Schnittzonentemperatur von 600 °C effektiv reduziert werden konnte. Im Vergleich zum konventionellen Fräsen wurde die Schnittkraft um 35% reduziert und die Bearbeitungsoberflächenqualität war besser. Hedberget al. führten lasergestützte Fräsversuche am Titanlegierungswerkstoff Ti6Al4V durch. Im Vergleich zur herkömmlichen Bearbeitung wurde die Schnittkraft um 30% auf 50% reduziert, die Oberflächeneigenspannung wurde um 10% reduziert und die Bearbeitungskosten wurden durch 33% eingespart. Dieser Artikel gibt einen Überblick über die jüngsten Fortschritte beim lasererwärmungsunterstützten Drehen, Fräsen, Bohren und Schleifen und blickt in die zukünftige Richtung der lasererwärmungsunterstützten Schneidtechnologie die Verwendung eines hochenergetischen Laserstrahls zum Bestrahlen der zu bearbeitenden Oberfläche. Das Material wird in kurzer Zeit auf eine bestimmte Temperatur erhitzt, es tritt eine Erweichung auf und dann wird der Schneidvorgang durchgeführt. Das Grundprinzip der Bearbeitung ist in Abb.1 dargestellt. Die Temperatur hat einen wesentlichen Einfluss auf die Verarbeitungsleistung des Materials. Durch Erhitzen des Materials können die Festigkeit und Härte des Materials reduziert werden, die Schneidkraft reduziert werden und der Werkzeugverschleiß und die Vibration reduziert werden, wodurch die Bearbeitungsqualität verbessert und die Bearbeitungsgenauigkeit und Bearbeitungseffizienz verbessert werden. Der Einfluss der Temperatur auf die Zugfestigkeit verschiedener Materialien ist in Abb. 2 dargestellt. 1 Schematische Darstellung der lasergestützten BearbeitungAbb. 2 Einfluss der Temperatur auf die Reißfestigkeit verschiedener Materialien1.2 Laserwärmequelle Zu den üblicherweise bei verschiedenen wärmeunterstützten Schneidprozessen verwendeten Erwärmungsmethoden gehören Lasererwärmung, elektrische Erwärmung, Plasmabogenerwärmung und Acetylen-Sauerstoffflammenerwärmung. Im Gegensatz dazu hat die Laserheizung die Vorteile einer hohen Leistungsdichte, eines schnellen Temperaturanstiegs, einer guten Energieverteilung und einer Zeitsteuerbarkeit und ist zu einer idealen Wärmequelle für das Hilfsheizschneiden geworden Der CO2-Laser oszilliert einen Laserstrahl mit einer Wellenlänge von 10,6 μm. Da die Eigenfrequenz der freien Elektronen auf der Metalloberfläche viel größer ist als die des Laserstrahls in diesem Band, wird der größte Teil der Laserenergie von den freien Oberflächenelektronen reflektiert, was zu einer sehr hohen Transmission führt. Niedrig, der Laser kann vom Metall nicht gut absorbiert werden, aber das Keramikmaterial kann die Wellenlänge des Lasers mehr als 85% absorbieren, sodass der CO2-Laser häufig als Wärmequelle für die Bearbeitung von Keramik und anderen nichtmetallischen Materialien verwendet wird. Der Granatapfellaser aus neodymdotiertem Aluminium (Nd:YAG) oszilliert einen Laser mit einer Wellenlänge von 1,064 μm, der die Absorption metallischer Materialien erleichtert und für die Spiegelübertragung und die Übertragung über Glasfaserkabel geeignet ist. Es kann mit Werkzeugmaschinen in komplexen Bearbeitungssystemen integriert werden. Halbleiterlaser haben die Vorteile kleiner Größe, geringem Gewicht, hoher Effizienz, langer Lebensdauer usw. und können in verschiedene optoelektronische Geräte integriert werden, wodurch das Volumen von Lasern und Peripheriegeräten reduziert wird und die Betriebskosten relativ niedrig sind. Die Qualität des vom Faserlaser emittierten Strahls ist gut und stabil. Seine integrierte Struktur kann die Probleme lösen, die durch Verschmutzung und Positionsänderungen der optischen Komponenten in der Kavität verursacht werden. Die Faser ist klein, flexibel und biegbar und eignet sich für die Laserübertragung, was zur Miniaturisierung des mechanischen Systems beiträgt. Intensivierung .2 Lasererwärmungsunterstütztes Schneiden experimenteller Forschungsfortschritt2.1 Lasererwärmungsunterstütztes Drehen Durch die Einführung einer Laserwärmequelle unterscheidet sich das lasererwärmungsunterstützte Schneiden von der konventionellen Bearbeitung in der Auswahl der Prozessparameter. Die Bestimmung der Bearbeitungsparameter muss auf dem Prinzip der Auswahl der konventionellen Schnittmenge basieren und die Auswirkungen der thermischen Wirkung des Lasers auf das Werkstückmaterial und die Standzeit umfassend berücksichtigen. Wählen Sie die Laserparameter und Schneidparameter angemessen aus, um die Oberflächenqualität zu verbessern und die Bearbeitungseffizienz zu verbessern. Laserparameter wie Laserleistung, Laserpunktgröße, Laserabtastrate, Laserpunkt- und Werkzeugspitzenabstand sowie Laseremissionswinkel sind wichtig Einfluss auf die Temperaturverteilung in der Schnittzone und den Grad der Materialerweichung. Panjehpouret al. führte Experimente zum lasererwärmungsunterstützten Drehen von AISI52100 durch und stellte fest, dass mit zunehmender Laserleistung die Wärmeeindringtiefe zunimmt, das Material der Schneidzone ausreichend weicher wird, das Werkzeug beim Schneiden weniger Widerstand erfährt und der Werkzeugverschleiß abnimmt. Wenn die Laserleistung 425 W übersteigt, überhitzt das Werkzeug und die Werkzeugverschleißrate erhöht sich. Die im Versuch ermittelten optimalen Bearbeitungsparameter waren: Laserleistung P = 425 W, Pulsfrequenz fp = 120 Hz, Schnittgeschwindigkeit vc = 70 m/min, Vorschubgeschwindigkeit f = 0,08 mm/U, Schnitttiefe ap = 0,2 mm. Mit dieser Kombination von Bearbeitungsparametern wird die Oberflächenrauheit Ra im Vergleich zur konventionellen Bearbeitung um 181 TP2T reduziert und ist 251 TP2T niedriger als beim Schneiden. Kannanet al. wies darauf hin, dass das durch Lasererwärmung unterstützte Drehen von Aluminiumoxidkeramik darauf hinweist, dass mit zunehmender Laserabtastrate die Bestrahlungszeit des Materials in der Schneidzone durch den Laser relativ verkürzt wird und der Erweichungsgrad des Materials verringert wird, was zu einer Steigerung der Schnittkraft. Die im Versuch ermittelten optimalen Bearbeitungsparameter sind: Laserleistung P = 350 W, Vorschub f = 0,03 mm/U, Schnittiefe ap = 0,3 mm, Spotdurchmesser d = 2 mm, Laserabtastrate v = 35–55 mm /Mindest. Mit dieser Kombination von Bearbeitungsparametern können die Schnittkräfte im Vergleich zur konventionellen Bearbeitung um bis zu 80% reduziert und die Standzeiten deutlich erhöht werden. Navaset al. führte ein lasererwärmungsunterstütztes Drehexperiment an Inconel718 durch und untersuchte die Auswirkung der Laserpunktgröße und des Abstands zwischen Laserpunkt und Werkzeugspitze auf die Schneidleistung von Inconel718. Es wurden Experimente durchgeführt, um den Unterschied in Leistungsdichte, Reaktionszeit und Schneidkraft zwischen einem quadratischen Fleck von 1,25 mm × 1,25 mm, einem elliptischen Fleck von 1,6 mm × 1,3 mm und einem runden Fleck von 2 mm Durchmesser zu vergleichen. Die Leistungsdichte des quadratischen Flecks war hoch und die elliptische Fleckreaktion wurde beobachtet. Der kreisförmige Fleck hat über einen langen Zeitraum eine moderate Leistungsdichte und Reaktionszeit, die bei der Verringerung der Schnittkraft stärker ausgeprägt ist. Mit der Erhöhung des Fleckdurchmessers wird die Bestrahlungsfläche vergrößert, aber die Laserleistungsdichte wird verringert, und die Einheitsfläche des Werkstücks wird durch die Bestrahlungsenergie verringert, was zu einer Verringerung des Erwärmungserweichungseffekts führt. Die Mitte des Laserpunkts und die Spitze des Lasers sollten in einem angemessenen Abstand gehalten werden, nicht nur um den Effekt der laserunterstützten Erwärmung zu erzielen, sondern auch um zu verhindern, dass der Fräser durch Überhitzung beschädigt wird oder der auf das bearbeitete Material gespritzte Span schmilzt Oberfläche, um die Verarbeitungsqualität zu beeinträchtigen.“ et al. Laserwärmeunterstütztes Drehen von Aluminiumoxid-Keramik. Der Laserstrahl fiel tangential unter dem Brewster-Einfallswinkel ein. Der Fleck war elliptisch, obwohl die Laserleistungsdichte relativ zur vertikalen Bestrahlung reduziert war. Durch die Vergrößerung der Fläche wird das Material in der Schnittzone gleichmäßiger erwärmt, was der Verbesserung der Bearbeitungsqualität zuträglicher ist. Dinget al. verwendeten zwei Laser, um Laserdrehexperimente an der Nickelbasis-Superlegierung AMS5704 durchzuführen, wodurch der CO2-Laserstrahl die zu bearbeitende Werkstückoberfläche vertikal beleuchtete und der Nd:YAG-Laserstrahl geneigt wurde, um die Werkstückübergangsoberfläche zu bestrahlen. Der Schnittbereich wird gleichmäßiger erwärmt. Im Vergleich zur konventionellen Bearbeitung wird die Schnittfläche um 20% reduziert, die Standzeit um 50% erhöht und die Oberflächenrauheit Ra um 200% auf 300% reduziert. Schnittparameter wie Vorschub, Schnittgeschwindigkeit und Schnitttiefe sind sehr wichtig Einfluss auf die Bearbeitungsqualität, Bearbeitungseffizienz und Bearbeitungskosten. Kimet al. führten Experimente zum beheizten Hilfsdrehen von Siliziumnitridkeramiken durch und stellten fest, dass mit zunehmender Vorschubmenge die durchschnittliche Erwärmungstemperatur in der Schneidzone abnimmt, was zu einer Erhöhung der Schneidkraft und einer Verringerung der Werkzeuglebensdauer führt. Wenn die Schnittiefe zunimmt, ist die Erweichungstiefe des tiefen Materials gering, was zu einer erhöhten Schnittkraft und einem erhöhten Werkzeugverschleiß führt. Die Schnittiefe der Siliziumnitrid-Keramik beträgt maximal 3 mm. Xavierarockiaraj et al. führte lasererwärmungsunterstützte Drehversuche an SKD11-Werkzeugstahl durch und analysierte den Einfluss von Schnittparametern auf Schnittkraft, Oberflächenrauheit und Werkzeugverschleiß. Wenn die Vorschubgeschwindigkeit zunimmt, die Schnittkraft, der Werkzeugverschleiß und die Oberflächenrauheit zunehmen, sollte eine kleinere Vorschubgeschwindigkeit verwendet werden, um die Wärmeerweichungszeit des Materials zu verlängern. Mit zunehmender Schnittgeschwindigkeit sinkt die durchschnittliche Erwärmungstemperatur in der Schnittzone, der Werkzeugverschleiß nimmt zu und die Oberflächenrauhigkeit nimmt zu. Die optimale Schnittgeschwindigkeit liegt bei vc=100 m/min. Bei einer Laserleistung von P=1000 W, einer Schnittgeschwindigkeit von vc=100 m/min und einem Vorschub von f=0,03 mm/U lässt sich eine minimale Schnittkraft erzielen. Rashid verwendete einen Nd:YAG-Laser, um das wärmeunterstützte Drehexperiment an einer Ti6Cr5Mo5V4Al-Legierung durchzuführen. Die empfohlenen Bearbeitungsparameter reichten von: Laserleistung P=1200 W, Vorschub f = 0,15~0 . 25 mm/U, Schnittgeschwindigkeit vc = 25~100m/min. Wenn die Vorschubgeschwindigkeit f < 0,15 mm/r ist, ist die Bearbeitungseffizienz gering; Wenn die Vorschubgeschwindigkeit f > 0,25 mm/U ist, ist der Erwärmungsgrad des Schneidzonenmaterials gering, was den Werkzeugverschleiß verschlimmert. Schnittgeschwindigkeit vc < 25 m/min. Bei längerer Erwärmung des Werkstücks führt eine Überhitzung zum Verschleiß des Werkzeugs und zu einer Qualitätsminderung der bearbeiteten Oberfläche. Wenn die Schnittgeschwindigkeit vc > 100 m/min ist, wird die Schnittfläche des Werkstücks durch die Laserheizzeit reduziert, das Material kann nicht vollständig erweicht werden, was zu starkem Werkzeugverschleiß führt. Tadavani et al. führten lasererwärmungsunterstütztes Drehen auf Inconel 718 durch. Das orthogonale experimentelle Design, das Signal-Rausch-Verhältnis und die Varianzanalyse bestimmten, dass die optimalen Verarbeitungsparameter waren: Laserleistung P = 400 W, Impulsfrequenz fp = 80 Hz, Heiztemperatur T = 540 °C, Schnittgeschwindigkeit vc = 24 m/min, Vorschub f = 0,052 mm/U. Mit dieser Kombination von Bearbeitungsparametern wird die Oberflächenrauheit Ra im Vergleich zur konventionellen Bearbeitung um 221 TP2T reduziert, 351 TP2T niedriger als beim Schneiden, und der Werkzeugverschleiß wird um 231 TP2T reduziert. Darüber hinaus haben Mohammadi et al. untersuchten auch den Einfluss der Werkzeuggeometrie auf die Oberflächenqualität beim lasergestützten Drehen von Siliziumwafern. Bei Laserleistung P = 20 W, Spindeldrehzahl n = 2000 U/min, Vorschubgeschwindigkeit f = 0,001 mm/U und Schnitttiefe ap = 0,005 mm, wenn der Spanwinkel des Werkzeugs γ0 = –45° beträgt, die Oberflächenrauheit Ra beträgt 9,8 nm. Wenn der Spanwinkel γ0 = -25° beträgt, beträgt die resultierende Oberflächenrauheit Ra 3,2 nm.2.2 Lasererwärmungsunterstütztes FräsenFräsen bezieht sich auf die Verwendung eines rotierenden mehrschneidigen Werkzeugs zum Schneiden eines Werkstücks. Sie kann nicht nur Abflachungen, Nuten, Verzahnungen, sondern auch komplexe Oberflächen bearbeiten. Da das Fräsen ein unterbrochenes Schneiden mit mehreren Klingen ist, ändert sich die Schneiddicke jedes Zahns während des Schneidvorgangs, und die Stoßbelastung ist groß, und es ist wahrscheinlich, dass Vibrationen auftreten. Der Einsatz von laserunterstütztem Fräsen kann das Rattern des Fräsers während des Schneidens reduzieren, die Schnittkräfte reduzieren, die Standzeit erhöhen und die Qualität der Bearbeitungsoberfläche verbessern.Kumar et al. fanden heraus, dass beim laserbeheizten Hilfsfräsen von A2-Werkzeugstahl die Materialabtragsrate um das 6-fache erhöht, die Schnittkraft durch 69% reduziert und der Fräsgrat im Vergleich zur herkömmlichen Bearbeitung reduziert wurde. Der Schaden wird erheblich reduziert. Wooet al. verwendeten eine Lasererwärmung, um das Fräsen von sphärischen Oberflächen zu unterstützen, und stellten fest, dass die Schnittkräfte von AISI1045 und Inconel718 im Vergleich zur herkömmlichen Bearbeitung um 82% bzw. 38% und die Oberflächenrauheit Ra um 53% bzw. 74% verringert wurden. Die Werkzeugvibration wurde gering reduziert. Kimet al. führten lasererwärmungsunterstützte Fräsexperimente an kugelförmigen Werkstücken aus AISI1045, Inconel718 und Titanlegierungen durch. Im Vergleich zur konventionellen Bearbeitung verringerten sich die Fräskräfte von AISI1045, Inconel718 und Titanlegierungen um 2,11 TP2T auf 8,61 TP2T bzw. 3,71 TP2T. ~12,31 TP2T, 0,81 TP2T~21,21 TP2T, die Oberflächenrauheit Ra verringerte sich um 14,51 TP2T~59,11 TP2T, 19,91 TP2T~32,41 TP2T bzw. 15,71 TP2T~361 TP2T, und die Bearbeitungseffizienz stieg erheblich Aufgrund der hohen Temperatur in der Schneidzone kann es leicht zu Verschleiß oder diffusem Verschleiß des Werkzeugs kommen. In schweren Fällen kann es zu einer plastischen Verformung des Werkzeugs kommen und die geometrischen Parameter des Werkzeugs verändern. Eine vernünftige Wahl der Schneidflüssigkeit kann die Reibung zwischen Werkzeug und Werkstück, Werkzeug und Span effektiv reduzieren, die Schnitttemperatur senken und die Werkzeughaltbarkeit und Bearbeitungsqualität erhöhen. Berminghamet al. fanden heraus, dass bei einer niedrigeren Schnittgeschwindigkeit die Verwendung einer kleinen Menge Schmiermittel zum Kühlen des Werkzeugs die Schnitttemperatur senken und das Auftreten winziger Kerben oder das Abplatzen des Ti6Al4V verzögern kann. Die Standzeit wird um mehr als das 5-fache erhöht. Bei höheren Schnittgeschwindigkeiten kann die Verwendung von Schneidflüssigkeiten zu einem thermischen Schock oder einer thermischen Ermüdung des Werkstücks und des Werkzeugs führen. Wenn herkömmliches Bohren verwendet wird, um geschmiedete Rohlinge, schwer zu bearbeitende Materialien oder gehärtete Teile zu bearbeiten, führt dies aufgrund hoher Härte, Festigkeit, unregelmäßiger Oberflächenformen usw. leicht zu vorgespanntem Bohren, großer axialer Bohrkraft und starker Bohrerverschleiß . Beim lasererwärmungsunterstützten Bohren wird ein Laser verwendet, um den gebohrten Bereich des Werkstücks zu erwärmen, das Oberflächenschichtmaterial zu erweichen und dann den Laser auszuschalten und den erwärmten Bereich schnell zu bohren. Die Verwendung eines laserunterstützten Heizverfahrens zum Bohren kann die Bohrerpositionierungsgenauigkeit verbessern, Vorspannungen vermeiden, den Bohrwiderstand und den Bohrerverschleiß verringern und dann die Bearbeitungsgenauigkeit und -effizienz verbessern. Derzeit ist die Forschung zum laserunterstützten Bohren weitaus geringer als lasergestütztes Drehen und Fräsen, hat aber auch einige Fortschritte gemacht. Jenet al. durchgeführtes lasererwärmungsunterstütztes Bohren von Kohlenstoffstahlmaterialien. Während des Experiments wurde der CO2-Laserspot auf eine Ringform eingestellt, um die Mitte der Bestrahlung zu bohren, um die Laserleistung und die Laserspotgröße für die Heiztemperatur zu erhalten. Beeinflussen Sie Gesetze, verbessern Sie die Bohrqualität und -effizienz. Zhenget al. verwendete eine lasererwärmungsunterstützte Bohrtechnologie, um eine experimentelle Studie zum Bohren von Schlüsselautomobilteilen durchzuführen. Verglichen mit herkömmlichem Bohren erhöhten sich 40Cr, 45 Stahl und rostfreier Stahl jeweils um 50,5 im Durchmesser des gebohrten Lochs. %, 52.2%, 51.4%; In Bezug auf die Bohreffizienz stiegen QT600, 45-Stahl und Edelstahl um 19,31 TP2T, 16,31 TP2T bzw. 39,91 TP2T. In ähnlicher Weise haben Zhang et al. führten Experimente zum lasergestützten Bohren von 41Cr4, C45E4, Edelstahl und Gusseisen durch. Im Vergleich zum konventionellen Bohren wurde festgestellt, dass 41Cr4, C45E4 und Edelstahl im Hinblick auf den Eintrittsdurchmesser zunahmen. 122.7%, 85.9%, 140.7%; In Bezug auf die Bohreffizienz stiegen Gusseisen, C45E4 und Edelstahl um 18,61 TP2T, 16,31 TP2T bzw. 39,91 TP2T. Choubeyet al. verwendete ein Nd:YAG-Laser-unterstütztes Heizverfahren zum Bohren von Marmor und stellte fest, dass es die Spannungskonzentration auf der Marmoroberfläche effektiv reduzieren, die Oberflächenintegrität verbessern, die Verarbeitungskosten senken und die Verarbeitungseffizienz verbessern kann. der Laser kann nur das Oberflächenmaterial des Werkstücks schnell erwärmen und erweichen, was einem schnellen Bohren förderlich ist; Mit zunehmender Bohrtiefe kann der Laser jedoch das Material im Loch nicht erwärmen. Kann die Verarbeitungseffizienz nicht weiter verbessern. Derzeit gibt es nur wenige Berichte über die Bohrkraft, den Werkzeugverschleiß, die Lochrundheit und die Oberflächenrauheit beim lasererwärmungsunterstützten Bohrprozess, und die Forschungsarbeit in diesen Bereichen muss weiter verstärkt werden Siliziumnitrid, Aluminiumoxid und Zirkoniumoxid werden aufgrund ihrer hohen Festigkeit, hohen Härte und Korrosionsbeständigkeit in der Mechanik, der Automobilindustrie, der Luft- und Raumfahrt und anderen Bereichen für immer mehr Anwendungen verwendet. Schleifen ist die Hauptbearbeitungsmethode von technischer Keramik. Aufgrund der hohen Härte und Sprödigkeit von Keramikmaterialien führt dies zu großer Schneidkraft, starkem Werkzeugverschleiß, geringer Materialabtragsrate und leichter Beschädigung der Oberfläche unter der Oberfläche . Außerdem sammelt sich aufgrund der schlechten Wärmeleitfähigkeit von Keramik die beim Schleifprozess entstehende Wärme auf der Oberfläche des Werkstücks, wodurch ein sehr hoher Temperaturgradient auf der Oberfläche des Werkstücks entsteht. Dabei kann es leicht zu thermischen Schädigungen der Materialoberfläche bis hin zu Rissen kommen. Beim lasererwärmungsunterstützten Schleifen wird die Oberfläche des Werkstücks mit einem Laser vorgewärmt, was die Härte und Sprödigkeit des Materials erheblich verringern, die Schleifkraft verringern, die Entstehung von Schäden unter der Oberfläche verringern und die Qualität des Werkstücks verbessern kann Schleiffläche .Chang et al. verwendete laserunterstütztes Schleifen zur Bearbeitung von Siliziumnitrid-Keramikmaterialien. Im Vergleich zum herkömmlichen Schleifen ist der durch Lasererwärmung unterstützte Bearbeitungsprozess stabiler, die Oberflächenintegrität ist besser und es gibt keine offensichtlichen Mikrostrukturveränderungen und Risse. Kumaret al. führten laserunterstütztes Schleifen auf Siliziumnitrid-Keramiken durch. Die Ergebnisse zeigen, dass die Schnittkraft um 43.2% reduziert, der Werkzeugverschleiß reduziert und die Materialabtragsrate im Vergleich zum konventionellen Schleifen verbessert wird. Kizakiet al. führten lasererwärmungsunterstützte Schleifexperimente an Yttriumoxid-stabilisierten tetragonalen Zirkonoxid-Polykristallkeramiken (Y-TZP) durch. Die Ergebnisse zeigen, dass die geeignete Schleiftemperatur für Y-TZP-Materialien bei etwa 490 ℃ liegt. Bei Temperatur beträgt die Bruchzähigkeit von Y-TZP 5,3 MPa·m1/2, was weit weniger als 9,1 MPa·m1/2 bei Raumtemperatur ist. Im Vergleich zur konventionellen Bearbeitung kann das laserunterstützte Schleifen die Materialhärte verringern, die Schleifkraft und den Werkzeugverschleiß reduzieren und die Bearbeitungsqualität und -effizienz verbessern. Die kombinierte Rotationsbewegung und Werkstückdrehung für die Bearbeitung. Die Dreh- und Fräsbearbeitung umfasst die vier Grundbewegungen Werkstückrotation, Fräserrotation, Fräseraxial- und Radialvorschub. Die Bearbeitungsverfahren sind in zwei Hauptkategorien unterteilt, das orthogonale Drehen und Fräsen und das axiale Drehen und Fräsen, unter denen die Anwendung des orthogonalen Drehens und Fräsens umfangreicher ist. Als relativ neues Verbundbearbeitungsverfahren sind die Eigenschaften des Drehens und Fräsens hauptsächlich: hervorragende intermittierende Bearbeitbarkeit, große Metallabtragsrate. Es hat eine gute Verarbeitungsfähigkeit für speziell geformte rotierende Teile. Lasererwärmungsunterstütztes Drehen und Fräsen kann die Schneidkraft weiter reduzieren, um die Standzeit des Werkzeugs zu verlängern, komplexe Profilteile zu verbessern und den Nullpunkt der Welle zu verfeinern. Die Verarbeitungsqualität der Stücke. Chioet al. entwickelte eine Reihe von C++-basierten Anwendungen, die CAD-Grafikdateien in NC-Code umwandeln können und so die automatische Programmierung von Werkstücken mit rechteckigem und vierflügeligem Querschnitt ermöglichen. Das Programm wurde erfolgreich auf ein 5-Achsen-Bearbeitungszentrum angewendet. Kimet al. führten lasererwärmungsunterstützte Fräs- und Fräsbearbeitungsexperimente am SM45C-Material durch. Im Vergleich zur konventionellen Dreh- und Fräsbearbeitung wurde die Werkzeugvibration beim Schneiden reduziert und geschnitten. Der Schneidprozess ist stabiler, die axialen und radialen Kräfte des Werkstücks mit rechteckigem Querschnitt werden um 10,41 TP2T bzw. 13,51 TP2T reduziert, und das Werkstück mit vierblättrigem Querschnitt ist axial. Die Kraft und Radialkräfte wurden um 10,61 TP2T bzw. 8,91 TP2T reduziert. Die Oberflächenrauhigkeit Ra des rechteckigen Querschnitts und des Werkstücks mit vier Blättchen wurde um 39,91 TP2T bzw. 37,11 TP2T verringert. Cha et al verwendeten das Taguchi-Verfahren, um die Verarbeitungsparameter des durch Lasererwärmung unterstützten Drehens und Fräsens von Siliziumnitridkeramiken zu optimieren. Die Ergebnisse zeigten, dass Schnitttiefe, Laserleistung und Schnittgeschwindigkeit den wesentlichen Einfluss auf die Oberflächenrauheit hatten. Der lasererwärmungsunterstützte Fräs- und Fräsprozess hat bestimmte Vorteile bei der Reduzierung der Schnittkraft, der Verlängerung der Werkzeuglebensdauer und der Verbesserung der Bearbeitungseffizienz. Es gibt jedoch noch viele Mängel in der Werkzeugmaschinenstabilität und Bearbeitungsformfehler, und weitere Forschung und Verbesserung sind noch erforderlich. 2.6 Sonstige spanabhebende Bearbeitungsverfahren Lasererwärmung Laserunterstützte Erwärmung kann auch bei anderen Bearbeitungsverfahren wie Hobeln, Polieren, Drehen und Schlichten angewendet werden. Chang et al. fanden heraus, dass, wenn Lasererwärmung beim Hobeln von Aluminiumoxidkeramik hilft, die Axialkraft um 201 TP2T und die Radialkraft um 221 TP2T im Vergleich zum herkömmlichen Hobeln reduziert wird. Der Ra-Grad wird um mehr als 501 TP2T reduziert und die Oberflächenintegrität ist besser. Tianet al. führten lasererwärmungsunterstützte Poliertests an den Materialien AISI4140 und MP35N durch. Die Ergebnisse zeigen, dass der Werkzeugverschleiß deutlich reduziert und die Integrität der Bearbeitungsoberfläche besser ist als beim herkömmlichen Polierprozess, aber die Oberflächenrückstände besser sind. Die Belastung hat zugenommen. Für eine Schleifscheibe mit hoher Härte, Abrichtschwierigkeiten und geringer Trimmeffizienz führten Zhang et al. ein durch Lasererwärmung unterstütztes Drehtrimmexperiment an der metallgebundenen CBN-Schleifscheibe durch. Verglichen mit dem traditionellen Diamantwerkzeug-Abrichtverfahren unterstützt die Lasererwärmung unter der Prämisse, die Abrichtqualität sicherzustellen. Drehen und Abrichten kann die Abrichtzeit erheblich verkürzen, die Abrichteffizienz verbessern und die Lebensdauer des Abrichtwerkzeugs verlängern. Zusammenfassend haben lasererwärmungsunterstütztes Drehen, Fräsen, Bohren, Schleifen und andere Bearbeitungsmethoden offensichtliche Vorteile gegenüber der herkömmlichen Bearbeitung beim Reduzieren Schneidkraft, Verbesserung der Werkzeuglebensdauer, Verbesserung der Bearbeitungsqualität und Kosteneinsparung, aber in der Lasererwärmung. Es gibt einige Mängel bei der Erforschung von Hilfsschneidprozessen, Werkzeugverschleißmechanismen usw. Die Laserheizungs-Hilfsverarbeitungstechnologie hat noch viel Raum für Entwicklung spanabhebende Bearbeitung, die Schnittzonentemperatur und -verteilung sind einer der Schlüsselfaktoren, die die Standzeit und die Bearbeitungsqualität beeinflussen. Zu hohe Temperaturen in der Schneidzone können zu thermischen Materialschäden oder Verschleiß des Werkzeugs führen, was die Qualität der bearbeiteten Oberfläche beeinträchtigt, und eine zu niedrige Temperatur kann die laserunterstützte Erwärmungswirkung schwächen. Das Verfahren der Temperaturfeldsimulation kann die tatsächliche Schnitttemperaturfeldverteilung intuitiver und genauer wiedergeben. Durch die Erstellung des Temperaturfeld-Simulationsmodells unter verschiedenen Prozessparametern, die Vorhersage des optimalen Entfernungstemperaturbereichs des Materials und die Optimierung der Verarbeitungsparameter können die tatsächlichen Messkosten erheblich eingespart werden. Auf dem Gebiet der Temperaturfeldsimulationsforschung umfassen viele numerische Simulationsverfahren, die derzeit verwendet werden, die Finite-Elemente-Methode, die Finite-Volumen-Methode und dergleichen. Cha et al. erstellten ein dreidimensionales transientes Temperaturfeldmodell von Siliziumnitrid-Keramiken für lasererwärmungsunterstütztes Fräsen und Fräsbearbeitung unter Verwendung der Finite-Elemente-Methode. Der simulierte und gemessene durchschnittliche Temperaturfehler bei Erwärmung mit unterschiedlicher Laserleistung beträgt 1,51 TP2T ~ 6,21 TP2T. Roostaei et al. erstellten ein dreidimensionales Finite-Elemente-Modell eines Temperaturfelds aus Quarzglaskeramik (SCFS) und verglichen die Simulationsergebnisse mit den Pyrometer-Messergebnissen. Wenn die Heizzeit zwischen 25 s und 43 s liegt, stimmen die beiden im Wesentlichen überein. . Wenn die Heizzeit weniger als 25 s oder mehr als 43 s beträgt, nimmt der Fehler zwischen den beiden zu und der maximale Temperaturfehler beträgt 40 K. Kim et al. führte eine Finite-Elemente-Simulation und eine experimentelle Studie zum Temperaturfeld der lasererwärmungsunterstützten Dreh- und Fräsbearbeitung des SM45C durch. Die Ergebnisse zeigten, dass der SM45C einen rechteckigen Cutoff hatte. Der Vorhersagefehler der durchschnittlichen Erwärmungstemperatur der Werkstücke mit Oberflächen- und vierblättrigem Kleeblattquerschnitt betrug 8,71 TP2T bzw. 6,41 TP2T. Die effektiven Tiefen und Breiten der Werkstücke mit rechteckigem Querschnitt betrugen 0,34 mm bzw. 2,26 mm, und die effektiven Tiefen und Breiten der vierblättrigen Werkstücke betrugen 0,45 mm bzw. 2,89 mm. Rozzi et al. untersuchten das Temperaturfeld des lasergestützten Drehens von Siliziumnitrid-Keramiken mit der Finite-Volumen-Methode und analysierte die Auswirkungen von Laserwärmestrom, Oberflächenkonvektion, Wärmeleitung und Wärmestrahlung auf die Oberflächentemperatur und simulierte verschiedene Schneidparameter. Die Temperaturfeldverteilung unter den Laserparametern und die Ergebnisse der Temperaturfeldsimulation stimmen im Wesentlichen mit den experimentellen Ergebnissen überein. Darüber hinaus erstellten Zhang et al. ein quasistationäres Wärmeübertragungsmodell für das laserwärmeunterstützte Schneiden von Aluminiumoxidkeramiken unter Verwendung der Finite-Differenzen-Methode und simulierten die Auswirkungen unterschiedlicher Laserleistung, Laserabtastrate und Laserpunktradius auf das Temperaturfeldverteilung. Studien haben gezeigt, dass die Verwendung einer niedrigeren Laserabtastrate, einer höheren Laserleistung und eines kleineren Radius des Laserpunkts dazu beiträgt, das Material in der Schnittzone aufzuweichen und somit eine ideale Schnitttiefe zu erreichen. Kashaniet al. erstellten ein numerisches Modell des Temperaturfelds beim lasererwärmungsunterstützten Schneiden von Kohlenstoffstahl durch analytische Methoden. Mit dem Pyrometer wurde die Temperaturfeldverteilung des Werkstücks gemessen. Der Fehler zwischen den Simulationsergebnissen und den Messergebnissen lag innerhalb von 10%. Chang et al. wendeten die Gitter-Boltzmann-Methode (LBM) auf das Temperaturfeld des laserwärmeunterstützten Schneidens von Aluminiumoxidkeramiken an, und die erhaltene Temperaturfeldverteilung stimmte gut mit den experimentellen Ergebnissen überein Schnittspannung, Dehnung, Temperatur und andere physikalische Größen zu erhalten, um die Beschädigung der Bearbeitungsfläche zu reduzieren und die Grundlage für die Optimierung der Bearbeitungsparameter zu schaffen. Die auf die Simulation des Schneidprozesses angewandten Methoden umfassen die Finite-Elemente-Methode, die Diskrete-Elemente-Methode und die Smooth-Particle-Fluid-Dynamics-Methode. Tian et al. verwendete die Finite-Elemente-Methode, um den Bearbeitungsprozess von Laser- und Hilfsschneiden von Siliziumnitridkeramik zu simulieren. Die Ergebnisse zeigen, dass die kristallisierte Glasphase unter der Einwirkung der Belastung Mikrorisse erzeugt und die Mikrorisse sich ausdehnen. Schließlich wird in der Scherzone ein makroskopischer Riss gebildet, und es tritt ein Gleiten auf, um diskontinuierliche Späne zu erzeugen. Die simulierte Chipdicke beträgt etwa 15 μm, was etwas kleiner ist als das experimentelle Ergebnis. Der Schnittkraftfehler beträgt 10% bis 15%. Der simulierte Wert der Oberflächeneigenspannung stimmt im Wesentlichen mit dem experimentellen Wert überein, was die Wirksamkeit des Simulationsmodells beweist. Liu et al. führten die Finite-Elemente-Simulation des durch Lasererwärmung unterstützten Fräsprozesses für Ti6Al4V-Materialien durch. Basierend auf dem Temperaturfeldmodell wurde das Fräsmodell unter Verwendung der Methode der sequentiellen thermischen Kopplung hinzugefügt, und das Variationsgesetz der Schnittkraft und die Verteilung des Werkzeugtemperaturfelds wurden erhalten. Der Fehler zwischen den simulierten und experimentellen Werten der Schnittkraft betrug 11,81 TP2T. Shen et al. verwendeten die Diskrete-Elemente-Methode (DEM), um den Prozess des durch Lasererwärmung unterstützten Fräsens von Siliziumnitridkeramiken zu simulieren. Die dispergierten Partikelcluster stellen die Struktur von Siliziumnitrid-Keramikmaterialien dar, und der Bruch der Verbindungseinheit wurde verwendet, um den Verarbeitungsprozess zu simulieren. Die Bildung und Ausdehnung von Rissen. Durch Vergleich von Simulations- und Versuchsergebnissen wurde festgestellt, dass die Anwendung der DEM-Methode auf die Schneidprozesssimulation die Beschädigung von Materialien unter der Oberfläche unter verschiedenen Verarbeitungsbedingungen vorhersagen kann; der Entfernungsmechanismus von Keramikmaterial ist hauptsächlich Sprödbruch; Je größer die Schnitttiefe, desto größer die Schnittkraft des Werkzeugs. Je zersplitterter das Werkstück ist, desto mehr hat die Schnittkraft einen wichtigen Einfluss auf die Rissbildung und -ausbreitung. Balbaa et al. verwendeten die Smooth Particle Hydrodynamics (SPH)-Methode, um den Schneidprozess von Inconel 718-Material zu simulieren. Es wurde festgestellt, dass der Erweichungseffekt der Lasererwärmung der Werkzeugfront der Hauptfaktor ist, der die Eigenspannung verursacht. Das lasererwärmungsunterstützte Schneiden erzeugt hauptsächlich die Oberfläche entlang der Schnittrichtung. Zugeigenspannungen, während beim konventionellen Schneiden hauptsächlich Oberflächeneigendruckspannungen entstehen. Außerdem haben Nasr et al. verwendeten die Finite-Elemente-Methode. Ähnliche Schlussfolgerungen wurden erhalten, als der Stahl AISI 4340 einer Simulationsstudie des Schneidprozesses unterzogen wurde.4 Schlussfolgerung Dieser Artikel gibt einen Überblick über die neuesten Forschungsfortschritte der lasererwärmungsunterstützten Schneidtechnologie in den letzten Jahren. In Bezug auf die Bearbeitungsmethoden entwickeln sich Laserheizungshilfsdrehen, Fräsen, Bohren, Schleifen und andere Technologien weiter und innovieren, reduzieren die Schnittkräfte, verbessern die Bearbeitungsqualität und verbessern die Bearbeitungseffizienz. Zur Lösung technischer Keramiken, Verbundwerkstoffe, Hochtemperaturlegierungen, Titan Die Bearbeitung von schwer zerspanbaren Werkstoffen wie Legierungen bietet eine praktikable Methode. Durch die Simulationsuntersuchung des Temperaturfeldes und des Schneidprozesses kann die Vorhersage des optimalen Abtragstemperaturbereichs des Materials und die Optimierung der Bearbeitungsparameter realisiert werden, die die Grundlage für die eigentliche Bearbeitung bilden. Obwohl die lasererwärmungsunterstützte Schneidtechnologie eine Reihe von Forschungsergebnissen erzielt hat, gibt es immer noch einige Probleme im Verarbeitungsmechanismus, in der Verarbeitungstechnologie und in industriellen Anwendungen. Unter Bezugnahme auf den Entwicklungstrend im In- und Ausland müssen noch folgende Forschungsarbeiten durchgeführt werden: (1) Die Forschung zu den Verarbeitungsbedingungen und dem Entfernungsmechanismus von schwer zu bearbeitenden Materialien verstärken und die Probleme wie den Klebstoff lösen Verschleiß der Werkzeuge, die Schwierigkeit beim Trennen des Werkzeugs und der Späne, die Werkzeugkühlung usw., die während des Laserheizungs-Hilfsschneidprozesses auftreten können. (2) Stärkung der Untersuchung der Laserheizungs-Hilfsschneidsimulation, genaue und schnelle Einrichtung Temperaturfeld- und Schneidprozess-Simulationsmodell und Verbesserung der Geschwindigkeit und Genauigkeit des Simulationsmodells. Optimieren Sie die Laserparameter, Schneidparameter und andere Prozessparameter, erstellen Sie eine perfekte Laserheizungs-Hilfsschneiddatenbank, schaffen Sie eine theoretische Grundlage für eine vernünftige Auswahl von Verarbeitungsparametern. (3) Stärkung der Forschung an industrialisierten Laserheizungs-Hilfsschneidsystemen, Verbesserung der Produktions-F&E und Unterstützungsfähigkeiten des Laserheizungs-Hilfsschneidsystems und Verbesserung der Integration, Stabilität und Genauigkeit des Laserheizungs-Hilfsschneidsystems zur Förderung des Lasers Die eigentliche Produktionsanwendung der heizungsunterstützten Schneidtechnologie. Mit der kontinuierlichen Weiterentwicklung der Lasertechnologie, der Schneidverarbeitungstechnologie und Materialtechnologie, Laserheizungs-Hilfsschneidverarbeitungstechnologie wird eine breitere Entwicklungsperspektive in den Bereichen der schwer zu verarbeitenden Materialverarbeitung, Mikrobearbeitung und anderen Bereichen haben.
Quelle: Meeyou Carbide