Progrès de la recherche sur la technologie de découpe assistée par chauffage laser

Résumé : Cet article résume les avancées de la recherche sur la technologie de découpe assistée par chauffage laser ces dernières années. Dans l'aspect de la recherche expérimentale, les caractéristiques de traitement du tournage, fraisage, perçage et meulage assistés par chauffage laser sont résumées, et les effets des paramètres laser et des paramètres de coupe sur la qualité du traitement sont décrits. Des études ont montré que dans une certaine plage, augmenter correctement la puissance du laser, réduire la vitesse de coupe, réduire la vitesse d'alimentation sont propices au ramollissement complet du matériau dans la zone de coupe, ce qui peut améliorer l'usinage des matériaux de la pièce, le traitement efficacité et qualité de traitement. À l'heure actuelle, la recherche sur la simulation de la découpe assistée par chauffage laser se concentre principalement sur la simulation du champ de température de découpe et du processus de découpe. En établissant un modèle de champ de température, il est possible de prédire la plage de température optimale pour l'enlèvement de matière et d'optimiser les paramètres de traitement. La simulation du processus de coupe explore les effets de quantités physiques telles que la contrainte, la déformation et la température, fournissant une base pour contrôler la qualité de surface des pièces pendant l'usinage réel. Les travaux de suivi devraient renforcer davantage la recherche sur le mécanisme de traitement, la technologie de traitement, l'optimisation de la simulation et d'autres aspects, établir une base de données de traitement de coupe auxiliaire de chauffage au laser parfaite pour promouvoir l'application industrielle de la technologie. Ces dernières années, des matériaux d'ingénierie avancés tels que l'ingénierie les céramiques, les matériaux composites, les alliages à haute température et les alliages de titane ont d'excellentes propriétés telles qu'une résistance élevée, une résistance à l'usure, une résistance à la corrosion et une bonne stabilité thermique. Ils sont utilisés dans les industries des machines, du génie chimique, de l'aérospatiale et du nucléaire. Le champ a été largement utilisé. Lorsque ces matériaux sont traités par des méthodes conventionnelles, en raison des caractéristiques de dureté élevée, de résistance élevée et de faible plasticité, la force de coupe et la température de coupe sont très élevées, l'usure de l'outil est sévère, la qualité d'usinage est médiocre et la géométrie d'usinage est limité. L'usinage assisté par laser (usinage assisté par laser, LAM) utilise le chauffage au laser pour ramollir le matériau de la zone de coupe et utiliser un outil pour la coupe. Comparé à l'usinage conventionnel, il réduit la force de coupe, prolonge la durée de vie de l'outil, améliore la qualité d'usinage et l'efficacité de l'usinage. De tels aspects présentent de nombreux avantages et constituent un moyen efficace de résoudre le traitement de matériaux difficiles. Par conséquent, la technologie de découpe assistée par chauffage laser est devenue l'un des points chauds de la recherche dans le domaine de l'usinage ces dernières années. La technologie de découpe assistée par chauffage laser a parcouru un long chemin depuis son introduction en 1978, après des décennies de développement. Konig et al. a pris les devants dans l'application de la technologie de tournage auxiliaire chauffé par laser à l'usinage des matériaux céramiques en nitrure de silicium, a amélioré les performances de traitement des matériaux et a obtenu une surface usinée avec une rugosité de surface Ra inférieure à 0,5 μm. Yang et al. mené des expériences de fraisage assisté par chauffage laser sur des céramiques de nitrure de silicium. Les résultats montrent que lorsque le chauffage assisté par laser est utilisé pour augmenter la température de la zone de coupe de 838℃ à 1319℃, la force de coupe est réduite de près de 50% et le bord se fracture. Le phénomène a été considérablement réduit et la qualité de la surface usinée a été améliorée, démontrant la faisabilité du fraisage assisté par laser des matériaux céramiques. Anderson et al. tournage assisté par laser du matériau Inconel 718, par rapport à l'usinage conventionnel (énergie de coupe nécessaire pour éliminer le volume unitaire de matériau), réduit le 25% et la durée de vie de l'outil a été multipliée par 2 à 3. Dandekar et al. ont mené une expérience de tournage assisté par chauffage laser sur le composite à matrice d'aluminium renforcé de particules de nitrure de silicium A359/20SiCP. Par rapport à l'usinage conventionnel, l'énergie peut être réduite de 12%, la durée de vie de l'outil est améliorée de 1,7 à 2,35 fois et la rugosité de surface Ra est réduite. 37%. Wu Xuefeng et al ont découvert que lorsque le matériau en alliage haute température GH4698 était chauffé au laser et aidé au fraisage, il pouvait réduire efficacement la résistance du matériau lorsque la température de la zone de coupe était de 600 ℃. Par rapport au fraisage conventionnel, la force de coupe a été réduite de 35% et la qualité de la surface d'usinage était meilleure. Heberg et al. effectué des expériences de fraisage assisté par laser sur un alliage de titane Ti6Al4V. Par rapport à l'usinage conventionnel, la force de coupe a été réduite de 30% à 50%, la contrainte résiduelle de surface a été réduite de 10% et le coût de traitement a été économisé de 33%. Cet article passe en revue les avancées récentes en matière de tournage, fraisage, perçage et meulage assistés par chauffage au laser, et se penche sur l'orientation future de la technologie de coupe assistée par chauffage au laser.1 principe de coupe auxiliaire par chauffage au laser1.1 Principes de traitement l'utilisation d'un faisceau laser à haute énergie pour irradier la surface à usiner. Le matériau est chauffé à une certaine température en peu de temps, un ramollissement se produit, puis le processus de coupe est effectué. Le principe de base de l'usinage est illustré à la Fig.1. La température a un effet significatif sur les performances de traitement du matériau. En chauffant le matériau, la résistance et la dureté du matériau peuvent être réduites, la force de coupe peut être réduite et l'usure et les vibrations de l'outil peuvent être réduites, améliorant ainsi la qualité du traitement et améliorant la précision d'usinage et l'efficacité du traitement. L'effet de la température sur la résistance à la traction de différents matériaux est illustré à la Fig. 2 .Fig. 1 Schéma de principe de l'usinage assisté par laserFig. 2 Effet de la température sur la résistance ultime à la traction de divers matériaux 1.2 Source de chaleur laser En revanche, le chauffage au laser présente les avantages d'une densité de puissance élevée, d'une élévation rapide de la température, d'une bonne distribution d'énergie et d'une contrôlabilité du temps, et il est devenu une source de chaleur idéale pour la découpe par chauffage auxiliaire. Dans un système laser couramment utilisé pour la découpe assistée par chauffage au laser, un Le laser CO2 fait osciller un faisceau laser d'une longueur d'onde de 10,6 μm. Étant donné que la fréquence naturelle des électrons libres sur la surface métallique est beaucoup plus grande que le faisceau laser dans cette bande, la majeure partie de l'énergie laser est réfléchie par les électrons libres de surface, ce qui entraîne une transmission très élevée. Faible, le laser ne peut pas être bien absorbé par le métal, mais le matériau céramique peut absorber la longueur d'onde du laser plus de 85%, de sorte que le laser CO2 est souvent utilisé comme source de chaleur pour le traitement de la céramique et d'autres matériaux non métalliques. Le laser grenade en aluminium dopé au néodyme (Nd:YAG) fait osciller un laser de longueur d'onde de 1,064 μm, ce qui facilite l'absorption des matériaux métalliques et convient à la transmission par miroir et à la transmission par câble à fibre optique. Il peut être intégré à des machines-outils dans des systèmes d'usinage complexes. Les lasers à semi-conducteurs présentent les avantages d'une petite taille, d'un poids léger, d'un rendement élevé, d'une longue durée de vie, etc., et peuvent être intégrés à divers dispositifs optoélectroniques, réduisant le volume de lasers et de périphériques, et les coûts d'exploitation sont relativement faibles. La qualité du faisceau émis par le laser à fibre est bonne et stable. Sa structure intégrée peut résoudre les problèmes causés par la contamination et les changements de position des composants optiques dans la cavité. La fibre est de petite taille, flexible et pliable, et elle est pratique pour la transmission laser, ce qui contribue à la miniaturisation du système mécanique. Intensification .2 Progrès de la recherche expérimentale sur la coupe assistée par chauffage laser2.1 Tournage assisté par chauffage laserEn raison de l'introduction d'une source de chaleur laser, la coupe assistée par chauffage laser diffère de l'usinage conventionnel dans la sélection des paramètres de processus. La détermination des paramètres de traitement doit être basée sur le principe de sélection de la quantité de coupe conventionnelle et prendre en compte de manière exhaustive l'effet de l'effet thermique du laser sur le matériau de la pièce et la durée de vie de l'outil. Choisissez raisonnablement les paramètres laser et les paramètres de coupe pour atteindre l'objectif d'améliorer la qualité de surface et d'améliorer l'efficacité du traitement. Les paramètres laser, y compris la puissance laser, la taille du point laser, le taux de balayage laser, la distance du point laser et de la pointe de l'outil, et l'angle d'émission laser ont une importance influence sur la répartition de la température dans la zone de coupe et le degré de ramollissement du matériau. Panjehpour et al. ont mené des expériences sur le tournage assisté par chauffage au laser d'AISI52100 et ont constaté qu'à mesure que la puissance du laser augmente, la profondeur de pénétration de la chaleur augmente, le matériau de la zone de coupe est suffisamment ramolli, l'outil reçoit moins de résistance lors de la coupe et l'usure de l'outil diminue. Lorsque la puissance du laser dépasse 425 W, l'outil surchauffe et le taux d'usure de l'outil augmente. Les paramètres de traitement optimaux obtenus dans l'expérience étaient : puissance laser P = 425 W, fréquence d'impulsion fp = 120 Hz, vitesse de coupe vc = 70 m/min, vitesse d'avance f = 0,08 mm/r, profondeur de coupe ap = 0,2 mm. Avec cette combinaison de paramètres de traitement, la rugosité de surface, Ra, est réduite de 18% par rapport à l'usinage conventionnel et est inférieure de 25% à la coupe. Kannan et al. a souligné que le tournage assisté par chauffage au laser de la céramique d'alumine indique qu'à mesure que la vitesse de balayage laser augmente, le temps d'irradiation du matériau dans la zone de coupe est relativement réduit par le laser et le degré de ramollissement du matériau est réduit, ce qui entraîne un augmentation de la force de coupe. Les paramètres de traitement optimaux obtenus dans l'expérience sont : puissance laser P=350 W, vitesse d'avance f=0,03 mm/r, profondeur de coupe ap=0,3 mm, diamètre du spot d=2 mm, vitesse de balayage laser v=35-55 mm /min. Avec cette combinaison de paramètres d'usinage, les efforts de coupe peuvent être réduits jusqu'à 80% par rapport à l'usinage conventionnel et la durée de vie de l'outil est considérablement augmentée. Navas et al. a mené une expérience de tournage assisté par chauffage laser sur Inconel718 et a étudié l'effet de la taille du point laser et de la distance entre le point laser et la pointe de l'outil sur les performances de coupe de l'Inconel718. Des expériences ont été menées pour comparer la différence de densité de puissance, de temps de réaction et de force de coupe entre un spot carré de 1,25 mm × 1,25 mm, un spot elliptique de 1,6 mm × 1,3 mm et un spot rond de 2 mm de diamètre. La densité de puissance de la tache carrée était élevée et la réaction de la tache elliptique a été observée. Pendant une longue période, la tache circulaire a une densité de puissance et un temps de réaction modérés, ce qui est plus prononcé dans la réduction de la force de coupe. Avec l'augmentation du diamètre du spot, la zone d'irradiation est agrandie, mais la densité de puissance laser est réduite et la surface unitaire de la pièce est réduite par l'énergie d'irradiation, ce qui entraîne une réduction de l'effet d'adoucissement par chauffage. Le centre du point laser et la pointe du laser doivent être maintenus à une distance appropriée, non seulement pour obtenir l'effet de chauffage assisté par laser, mais également pour empêcher la fraise de surchauffer les dommages ou la fonte de la puce éclaboussé sur le traité surface pour affecter la qualité du traitement.鄢锉 et al. tournage assisté par chaleur laser de céramiques d'alumine. Le faisceau laser était incident tangentiellement à l'angle d'incidence de Brewster. La tache était elliptique, bien que la densité de puissance du laser ait été réduite par rapport à l'irradiation verticale. Au fur et à mesure que la zone est agrandie, le matériau dans la zone de coupe est chauffé plus uniformément, ce qui est plus propice à l'amélioration de la qualité du traitement. Ding et al. a utilisé deux lasers pour effectuer des expériences de tournage au laser sur le superalliage à base de nickel AMS5704, ce qui a amené le faisceau laser CO2 à éclairer verticalement la surface de la pièce à usiner, et le faisceau laser Nd:YAG incliné pour irradier la surface de transition de la pièce. La zone de coupe est chauffée plus uniformément. Par rapport à l'usinage conventionnel, la zone de coupe est réduite de 20%, la durée de vie de l'outil est augmentée de 50% et la rugosité de surface Ra est réduite de 200% à 300%. Les paramètres de coupe tels que l'avance, la vitesse de coupe et la profondeur de coupe ont un rôle très important. influence sur la qualité d'usinage, l'efficacité de traitement et le coût de traitement. Kim et al. ont mené des expériences sur le tournage auxiliaire chauffé de céramiques de nitrure de silicium et ont constaté qu'à mesure que la quantité d'alimentation augmente, la température de chauffage moyenne dans la zone de coupe diminue, ce qui entraîne une augmentation de la force de coupe et une diminution de la durée de vie de l'outil. À mesure que la profondeur de coupe augmente, la profondeur de ramollissement du matériau profond est faible, ce qui entraîne une augmentation de la force de coupe et de l'usure de l'outil. La profondeur de coupe du matériau céramique en nitrure de silicium est au maximum de 3 mm. Xavierarockiaraj et al. mené des expériences de tournage assisté par chauffage au laser sur de l'acier à outils SKD11 et analysé l'influence des paramètres de coupe sur la force de coupe, la rugosité de surface et l'usure de l'outil. À mesure que la vitesse d'avance augmente, la force de coupe, l'usure de l'outil et la rugosité de surface augmentent, une vitesse d'avance plus petite doit être utilisée pour augmenter le temps de ramollissement thermique du matériau. Avec l'augmentation de la vitesse de coupe, la température de chauffage moyenne dans la zone de coupe diminue, l'usure de l'outil augmente et la rugosité de surface augmente. La vitesse de coupe optimale est vc=100 m/min. Avec une puissance laser de P = 1000 W, une vitesse de coupe de vc = 100 m/min et une avance de f = 0,03 mm/r, un effort de coupe minimum peut être obtenu. Rashid a utilisé le laser Nd:YAG pour réaliser l'expérience de tournage assisté par la chaleur sur l'alliage Ti6Cr5Mo5V4Al. Les paramètres de traitement recommandés allaient de : puissance laser P=1200 W, vitesse d'alimentation f = 0,15~0 . 25 mm/tr, Taux de coupe vc = 25~100m/min. Lorsque la vitesse d'avance f<0,15 mm/r, l'efficacité d'usinage est faible ; lorsque la vitesse d'avance f>0,25 mm/r, le degré de ramollissement par chauffage du matériau de la zone de coupe est faible, ce qui aggravera l'usure de l'outil. Vitesse de coupe vc<25 m/min.Lorsque la pièce est chauffée pendant une longue période, la surchauffe provoque l'usure de l'outil et réduit la qualité de la surface usinée. Lorsque la vitesse de coupe vc>100 m/min, la zone de coupe de la pièce par le temps de chauffage du laser est réduite, le matériau ne peut pas être complètement ramolli, ce qui entraîne une usure importante de l'outil. Tadavani et al ont effectué une rotation assistée par chauffage laser sur Inconel 718. La conception expérimentale orthogonale, le rapport signal sur bruit et l'analyse de la variance ont déterminé que les paramètres de traitement optimaux étaient : puissance laser P = 400 W, fréquence d'impulsion fp = 80 Hz, température de chauffage T = 540 ℃, vitesse de coupe vc = 24 m/min, vitesse d'avance f = 0,052 mm/r. Avec cette combinaison de paramètres de traitement, la rugosité de surface, Ra, est réduite de 22% par rapport à l'usinage conventionnel, de 35% inférieure à la coupe et l'usure de l'outil est réduite de 23%. De plus, Mohammadi et al. ont également étudié l'effet de la géométrie de l'outil sur la qualité de surface du tournage assisté par laser de tranches de silicium. En puissance laser P=20 W, vitesse de broche n=2000 tr/min, vitesse d'avance f=0,001 mm/r et profondeur de coupe ap=0,005 mm, lorsque l'angle de coupe de l'outil est γ0=−45°, la rugosité de surface Ra est de 9,8 nm. Lorsque l'angle de coupe est γ0 = -25°, la rugosité de surface résultante Ra est de 3,2 nm.2.2 Fraisage assisté par chauffage au laserLe fraisage fait référence à l'utilisation d'un outil rotatif à plusieurs lames pour couper une pièce. Il peut non seulement usiner des méplats, des rainures, des dents d'engrenage, mais aussi des surfaces complexes. Étant donné que le fraisage est une coupe interrompue à plusieurs lames, l'épaisseur de coupe de chaque dent pendant le processus de coupe est modifiée, et la charge d'impact est importante et des vibrations sont susceptibles de se produire. L'utilisation du fraisage assisté par laser peut réduire le broutage de la fraise pendant la coupe, réduire les forces de coupe, augmenter la durée de vie de l'outil et améliorer la qualité de la surface d'usinage. Kumar et al. a constaté que dans le fraisage auxiliaire chauffé au laser de l'acier à outils A2, le taux d'enlèvement de matière était multiplié par 6, la force de coupe était réduite de 69% et la bavure de fraisage était réduite par rapport à l'usinage conventionnel. Les dommages sont considérablement réduits. Woo et al. a utilisé le chauffage au laser pour faciliter le fraisage de surfaces sphériques et a constaté que les forces de coupe de l'AISI1045 et de l'Inconel718 étaient réduites de 82% et 38%, respectivement, et que la rugosité de surface Ra était réduite de 53% et 74%, respectivement, par rapport à l'usinage conventionnel. La vibration de l'outil a été réduite légèrement. Kim et al. mené des expériences de fraisage assisté par chauffage au laser sur des pièces sphériques en AISI1045, Inconel718 et en alliage de titane. Par rapport à l'usinage conventionnel, les forces de fraisage de l'AISI1045, de l'Inconel718 et des alliages de titane ont diminué de 2,1% à 8,6% et 3,7%, respectivement. ~12.3%, 0.8%~21.2%, la rugosité de surface Ra a diminué de 14.5%~59.1%, 19.9%~32.4% et 15.7%~36%, respectivement, et l'efficacité du traitement a augmenté de manière significative. à la température élevée dans la zone de coupe, il est facile de provoquer une usure ou une usure diffuse de l'outil. Dans les cas graves, cela peut provoquer une déformation plastique de l'outil et modifier les paramètres géométriques de l'outil. Un choix raisonnable de fluide de coupe peut réduire efficacement le frottement entre l'outil et la pièce, l'outil et le copeau, réduire la température de coupe et augmenter la durabilité de l'outil et la qualité de traitement. Bermingham et al. ont constaté qu'à une vitesse de coupe inférieure, l'utilisation d'une petite quantité de lubrification pour refroidir l'outil peut réduire la température de coupe et retarder l'apparition de minuscules entailles ou l'écaillage du Ti6Al4V. La durée de vie de l'outil est augmentée de plus de 5 fois. À des vitesses de coupe plus élevées, l'utilisation de fluides de coupe peut entraîner un choc thermique ou une fatigue thermique de la pièce et de l'outil. 2.3 Perçage assisté par chaleur laser Le perçage est largement utilisé dans le traitement de divers types de pièces de machine. Lorsque le perçage conventionnel est utilisé pour traiter des ébauches forgées, des matériaux difficiles à usiner ou des pièces trempées, en raison de la dureté élevée, de la résistance, des formes de surface irrégulières, etc., il est facile de conduire à un perçage biaisé, à une force de perçage axiale importante et usure sérieuse du foret. Le perçage assisté par chauffage au laser consiste à utiliser un laser pour chauffer la zone percée de la pièce, ramollir le matériau de la couche de surface, puis éteindre le laser et percer rapidement la zone chauffée. L'utilisation de la méthode de chauffage assistée par laser pour le forage peut améliorer la précision du positionnement du foret, éviter les biais, réduire la résistance au forage et l'usure du foret, puis améliorer la précision et l'efficacité du traitement. À l'heure actuelle, la recherche sur le forage assisté par laser est beaucoup moins que le tournage et le fraisage assistés par laser, mais il a également fait des progrès. Jen et al. perçage assisté par chauffage laser conduit de matériaux en acier au carbone. Au cours de l'expérience, le spot laser CO2 a été ajusté en forme d'anneau pour percer le milieu de l'irradiation afin d'obtenir la puissance laser et la taille du spot laser pour la température de chauffage. Influencer les lois, améliorer la qualité et l'efficacité du forage. Zheng et al. a utilisé la technologie de perçage assisté par chauffage au laser pour mener une étude expérimentale sur le perçage de pièces automobiles clés. Par rapport au forage conventionnel, le 40Cr, l'acier 45 et l'acier inoxydable ont respectivement augmenté de 50,5 le diamètre du trou foré. %, 52.2%, 51.4% ; en termes d'efficacité de forage, le QT600, l'acier 45 et l'acier inoxydable ont augmenté respectivement de 19,31 TP2T, 16,31 TP2T et 39,91 TP2T. De même, Zhang et al. ont mené des expériences sur le perçage assisté par laser du 41Cr4, du C45E4, de l'acier inoxydable et de la fonte. Par rapport au forage conventionnel, il a été constaté que le 41Cr4, le C45E4 et l'acier inoxydable augmentaient en termes de diamètre d'entrée. 122.7%, 85.9%, 140.7% ; en termes d'efficacité de forage, la fonte, le C45E4 et l'acier inoxydable ont augmenté respectivement de 18,61 TP2T, 16,31 TP2T et 39,91 TP2T. Choubey et al. utilisé la méthode de chauffage assistée par laser Nd: YAG pour percer le marbre et a constaté qu'elle peut réduire efficacement la concentration de contraintes sur la surface du marbre, améliorer l'intégrité de la surface, réduire le coût de traitement et améliorer l'efficacité du traitement. Dans le processus de forage assisté par chauffage au laser, le laser ne peut que chauffer et ramollir rapidement le matériau de surface de la pièce, ce qui est propice à un perçage rapide ; cependant, à mesure que la profondeur de perçage augmente, le laser ne peut pas chauffer le matériau dans le trou. Impossible d'améliorer davantage l'efficacité du traitement. À l'heure actuelle, il existe peu de rapports sur la force de perçage, l'usure de l'outil, la rondeur des trous et la rugosité de surface dans le processus de perçage assisté par chauffage laser, et les travaux de recherche dans ces domaines doivent être encore renforcés. le nitrure de silicium, l'oxyde d'aluminium et l'oxyde de zirconium ont été utilisés dans les domaines mécaniques, automobiles, aérospatiaux et autres pour de plus en plus d'applications en raison de leur haute résistance, de leur dureté élevée et de leur résistance à la corrosion. Le meulage est la principale méthode de traitement des céramiques techniques. En raison de la dureté et de la fragilité élevées des matériaux céramiques, il en résulte une grande force de coupe, une usure importante de l'outil, un faible taux d'enlèvement de matière et des dommages faciles à la surface du sous-sol . De plus, en raison de la mauvaise conductivité thermique de la céramique, la chaleur générée lors du processus de meulage s'accumule à la surface de la pièce, provoquant un gradient de température très élevé à la surface de la pièce. Cela peut facilement entraîner des dommages thermiques à la surface du matériau et même des fissures. Le meulage assisté par chauffage au laser utilise un laser pour préchauffer la surface de la pièce, ce qui peut réduire considérablement la dureté et la fragilité du matériau, réduire la force de meulage, réduire la génération de dommages sous la surface et améliorer la qualité de la surface de meulage .Chang et al. utilisé le meulage assisté par laser pour usiner des matériaux céramiques en nitrure de silicium. Comparé au meulage conventionnel, le processus d'usinage assisté par chauffage au laser est plus stable, l'intégrité de la surface est meilleure et il n'y a pas de changement de microstructure ni de fissure évidents. Kumar et al. effectué un meulage assisté par laser sur des céramiques de nitrure de silicium. Les résultats montrent que la force de coupe est réduite de 43.2%, l'usure de l'outil est réduite et le taux d'enlèvement de matière est amélioré par rapport à la rectification conventionnelle. Kizaki et al. mené des expériences de meulage assisté par chauffage au laser sur des céramiques polycristallines de zircone tétragonale stabilisées à l'yttria (Y-TZP). Les résultats montrent que la température de broyage appropriée pour les matériaux Y-TZP est d'environ 490 ℃. À température, la ténacité à la rupture de Y-TZP est de 5,3 MPa·m1/2, ce qui est bien inférieur à 9,1 MPa·m1/2 à température ambiante. Par rapport au traitement conventionnel, le meulage assisté par laser peut réduire la dureté du matériau, réduire la force de meulage et l'usure de l'outil, et améliorer la qualité et l'efficacité du traitement. Le mouvement combiné de rotation et de rotation de la pièce pour l'usinage. L'usinage de tournage et de fraisage comprend quatre mouvements de base de rotation de la pièce, de rotation de la fraise, d'avance axiale et radiale de la fraise. Les méthodes de traitement sont divisées en deux grandes catégories de tournage et de fraisage orthogonaux et de tournage et de fraisage axiaux, parmi lesquels l'application du tournage et du fraisage orthogonaux plus étendus. En tant que méthode d'usinage composite relativement nouvelle, les caractéristiques du tournage et du fraisage sont principalement : une excellente usinabilité intermittente, un taux d'enlèvement de métal élevé. Il a une bonne capacité de traitement pour les pièces rotatives de forme spéciale. Le tournage et le fraisage assistés par chauffage au laser peuvent réduire davantage la force de coupe pour prolonger la durée de vie de l'outil, améliorer les pièces de profil complexes, le zéro de l'arbre fin. La qualité de traitement des pièces. Chio et al. a développé un ensemble d'applications basées sur C++ qui peuvent convertir des fichiers graphiques CAO en code NC, permettant la programmation automatique de pièces rectangulaires et à quatre feuilles. Le programme a été appliqué avec succès à un centre d'usinage 5 axes. Kim et al. mené des expériences de fraisage et d'usinage par fraisage assistés par chauffage au laser sur le matériau SM45C. Par rapport à l'usinage conventionnel de tournage et de fraisage, les vibrations de l'outil lors de la coupe ont été réduites et coupées. Le processus de coupe est plus stable, les forces axiales et radiales de la pièce à section rectangulaire sont réduites de 10.4% et 13.5%, respectivement, et la pièce à section à quatre feuilles est axiale. La force et les forces radiales ont été réduites de 10,6% et 8,9%, respectivement. La rugosité de surface Ra de la section rectangulaire et de la pièce en forme de quatre feuillets a été réduite de 39,91 TP2T et 37,11 TP2T, respectivement. Cha et al ont utilisé la méthode Taguchi pour optimiser les paramètres de traitement de la céramique de nitrure de silicium assistée par chauffage au laser pour le tournage et le fraisage. Les résultats ont montré que le degré d'influence significatif sur la rugosité de la surface était la profondeur de coupe, la puissance du laser et la vitesse de coupe. Le processus de fraisage et de fraisage assisté par chauffage au laser présente certains avantages pour réduire la force de coupe, prolonger la durée de vie de l'outil et améliorer l'efficacité de l'usinage. Cependant, il existe encore de nombreuses lacunes dans la stabilité de la machine-outil et l'erreur de forme d'usinage, et des recherches et des améliorations supplémentaires sont encore nécessaires. 2.6 Autres méthodes de traitement de coupe auxiliaire par chauffage au laserLe chauffage assisté par laser peut également être appliqué à d'autres méthodes de traitement telles que le rabotage, le polissage, le tournage et la finition. Chang et al. ont constaté que lorsque le chauffage au laser aide à raboter les céramiques d'alumine, la force axiale est réduite de 20% et la force radiale est réduite de 22% par rapport au rabotage conventionnel. Le degré de Ra est réduit de plus de 50% et l'intégrité de la surface est meilleure. Tian et al. effectué des tests de polissage assisté par chauffage laser sur les matériaux AISI4140 et MP35N. Les résultats montrent que l'usure de l'outil est considérablement réduite et que l'intégrité de la surface d'usinage est meilleure que celle du processus de polissage conventionnel, mais le résidu de surface est meilleur. Les contraintes ont augmenté. Pour une meule abrasive de dureté élevée, une difficulté de dressage, une faible efficacité de coupe, Zhang et al ont mené une expérience de coupe de tournage assistée par chauffage au laser sur la meule CBN à liant métallique. Par rapport à la méthode traditionnelle de dressage des outils diamantés, le chauffage au laser a permis d'assurer la qualité du dressage. Le tournage et le dressage peuvent considérablement raccourcir le temps de dressage, améliorer l'efficacité du dressage et prolonger la durée de vie de l'outil de dressage.En résumé, le tournage, le fraisage, le perçage, le meulage et d'autres méthodes de traitement assistés par chauffage au laser présentent des avantages évidents par rapport à l'usinage conventionnel en réduisant force de coupe, amélioration de la durée de vie de l'outil, amélioration de la qualité de traitement et réduction des coûts, mais chauffage au laser. Il existe certaines lacunes dans la recherche du processus de coupe auxiliaire, du mécanisme d'usure de l'outil, etc. La technologie de traitement auxiliaire de chauffage au laser a encore beaucoup de place pour le développement. traitement de coupe, la température et la distribution de la zone de coupe sont l'un des facteurs clés qui affectent la durée de vie de l'outil et la qualité de traitement. Des températures trop élevées dans la zone de coupe peuvent provoquer des dommages thermiques au matériau ou une usure de l'outil, affectant la qualité de la surface usinée, et une température trop basse peut affaiblir l'effet de chauffage assisté par laser. La méthode de simulation de champ de température peut refléter la distribution réelle du champ de température de coupe de manière plus intuitive et précise. En établissant le modèle de simulation de champ de température sous différents paramètres de processus, en prédisant la plage de température d'élimination optimale du matériau et en optimisant les paramètres de traitement, le coût de mesure réel peut être considérablement réduit. Dans le domaine de la recherche sur la simulation de champ de température, de nombreuses méthodes de simulation numérique actuellement utilisées incluent la méthode des éléments finis, la méthode des volumes finis, etc. Cha et al. a établi un modèle de champ de température transitoire tridimensionnel de céramiques de nitrure de silicium pour le fraisage et le traitement de fraisage assistés par chauffage au laser à l'aide de la méthode des éléments finis. L'erreur de température moyenne simulée et mesurée sous différentes puissances de chauffage laser est de 1,5% ~ 6,2%. Roostaei et al. établi un modèle d'éléments finis en trois dimensions d'un champ de température en céramique de silice fondue (SCFS) et comparé les résultats de la simulation avec les résultats de mesure du pyromètre. Lorsque le temps de chauffage est compris entre 25 s et 43 s, les deux sont fondamentalement cohérents. . Lorsque le temps de chauffage est inférieur à 25 s ou supérieur à 43 s, l'erreur entre les deux augmente et l'erreur de température maximale est de 40 K. Kim et al. conduit une simulation par éléments finis et une étude expérimentale sur le champ de température de l'usinage de tournage et de fraisage assisté par chauffage laser du SM45C. Les résultats ont montré que le SM45C avait une coupure rectangulaire. L'erreur de prédiction de la température de chauffage moyenne de la surface et des pièces à section transversale en trèfle à quatre feuilles était de 8,7% et 6,4%, respectivement. Les profondeurs et largeurs effectives des pièces à section rectangulaire étaient respectivement de 0,34 mm et 2,26 mm, et les profondeurs et largeurs effectives des pièces à quatre feuilles étaient respectivement de 0,45 mm et 2,89 mm. Rozzi et al ont étudié le champ de température de tournage assisté par laser de céramiques de nitrure de silicium à l'aide de la méthode des volumes finis et analysé les effets du flux de chaleur laser, de la convection de surface, de la conduction thermique et du rayonnement thermique sur la température de surface, et simulé différents paramètres de coupe. La distribution du champ de température sous les paramètres laser et les résultats de la simulation du champ de température sont fondamentalement cohérents avec les résultats expérimentaux. De plus, Zhang et al ont établi un modèle de transfert de chaleur à l'état quasi-stationnaire pour la découpe assistée par chaleur laser de céramiques d'alumine en utilisant la méthode des différences finies, et ont simulé les effets de différentes puissances laser, taux de balayage laser et rayon de spot laser sur le répartition du champ de température. Des études ont montré que l'utilisation d'une vitesse de balayage laser plus faible, d'une puissance laser plus élevée et d'un rayon laser plus petit est plus propice à l'adoucissement du matériau dans la zone de coupe et à l'obtention d'une profondeur de coupe idéale. Kashani et al. ont établi un modèle numérique du champ de température de l'acier au carbone assisté par chauffage laser par méthode analytique. Le pyromètre a été utilisé pour mesurer la distribution du champ de température de la pièce. L'erreur entre les résultats de simulation et les résultats mesurés était inférieure à 10%. Chang et al. appliqué la méthode de Boltzmann en réseau (LBM) au champ de température de la découpe assistée par chaleur laser de la céramique d'alumine, et la distribution du champ de température obtenue était en bon accord avec les résultats expérimentaux. 3.2 Recherche sur la simulation du processus de coupe obtenir la contrainte de coupe, la déformation, la température et d'autres variables physiques, afin de réduire les dommages de la surface d'usinage et de fournir la base pour optimiser les paramètres de traitement. Les méthodes appliquées à la simulation du processus de coupe comprennent la méthode des éléments finis, la méthode des éléments discrets et la méthode de dynamique des fluides à particules lisses.Tian et al. a utilisé la méthode des éléments finis pour simuler le processus d'usinage des céramiques de nitrure de silicium de découpe laser et auxiliaire. Les résultats montrent que sous l'action de la charge, la phase vitreuse cristallisée va générer des micro-fissures et les micro-fissures vont se dilater. Finalement, une fissure macroscopique se forme dans la zone de cisaillement et un glissement se produit pour générer des copeaux discontinus. L'épaisseur de puce simulée est d'environ 15 μm, ce qui est légèrement inférieur au résultat expérimental. L'erreur de force de coupe est de 10% à 15%. La valeur simulée de la contrainte résiduelle de surface est fondamentalement cohérente avec la valeur expérimentale, ce qui prouve l'efficacité du modèle de simulation. Liu et al ont réalisé la simulation par éléments finis du processus de fraisage assisté par chauffage laser pour les matériaux Ti6Al4V. Sur la base du modèle de champ de température, le modèle de fraisage a été ajouté en utilisant la méthode de couplage thermique séquentiel, et la loi de variation de la force de coupe et la distribution du champ de température de l'outil ont été obtenues. L'erreur entre les valeurs simulées et expérimentales de la force de coupe était de 11,8%.Shen et al. utilisé la méthode des éléments discrets (DEM) pour simuler le processus de fraisage assisté par chauffage laser de céramiques de nitrure de silicium. Les amas de particules dispersées représentent la structure des matériaux céramiques en nitrure de silicium, et la fracture de l'unité de liaison a été utilisée pour simuler le processus de traitement. La formation et l'expansion des fissures. Grâce à la comparaison des simulations et des résultats expérimentaux, il a été constaté que l'application de la méthode DEM à la simulation du processus de coupe peut prédire les dommages souterrains des matériaux dans différentes conditions de traitement ; le mécanisme d'élimination du matériau céramique est principalement une rupture fragile ; plus la profondeur de coupe est grande, plus la force de coupe de l'outil est grande. Plus la pièce est fragmentée, plus l'effort de coupe a un effet important sur la formation et la propagation des fissures. Balbaa et al. ont utilisé la méthode hydrodynamique des particules lisses (SPH) pour simuler le processus de coupe du matériau Inconel 718. Il a été constaté que l'effet d'adoucissement du chauffage laser de la face avant de l'outil est le principal facteur provoquant la contrainte résiduelle. La coupe assistée par chauffage laser produit principalement la surface le long de la direction de coupe. Contrainte de traction résiduelle, tandis que la coupe conventionnelle produit principalement une contrainte de compression résiduelle de surface. De plus, Nasr et al. ont utilisé la méthode des éléments finis. Des conclusions similaires ont été obtenues lorsque l'acier AISI 4340 a été soumis à une étude de simulation du processus de coupe.4 ConclusionCet article passe en revue les derniers progrès de la recherche sur la technologie de coupe assistée par chauffage au laser au cours des dernières années. En termes de méthodes de traitement, le tournage, le fraisage, le perçage, le meulage et d'autres technologies auxiliaires de chauffage au laser continuent de se développer et d'innover, réduisant les forces de coupe, améliorant la qualité du traitement et améliorant l'efficacité du traitement. Pour résoudre les céramiques techniques, les matériaux composites, les alliages à haute température, le titane L'usinage de matériaux difficiles à usiner tels que les alliages fournit une méthode viable. Grâce à l'étude de simulation du champ de température et du processus de coupe, la prédiction de la plage de température d'élimination optimale du matériau et l'optimisation des paramètres de traitement peuvent être réalisées, fournissant la base du traitement réel. Bien que la technologie de découpe assistée par chauffage au laser ait obtenu une série de résultats de recherche, il existe encore des problèmes dans le mécanisme de traitement, la technologie de traitement et les applications industrielles. En référence à la tendance de développement au pays et à l'étranger, les travaux de recherche suivants doivent encore être effectués : (1) Renforcer la recherche sur les conditions de traitement et le mécanisme d'élimination des matériaux difficiles à usiner, et résoudre les problèmes tels que l'adhésif l'usure des outils, la difficulté à séparer l'outil et les copeaux, le refroidissement de l'outil, etc., qui peuvent se produire pendant le processus de coupe auxiliaire de chauffage laser.(2) Renforcer l'étude de la simulation de coupe auxiliaire de chauffage laser, établir des champ de température et modèle de simulation de processus de coupe, et améliorer la vitesse et la précision du modèle de simulation. Optimiser les paramètres laser, les paramètres de coupe et d'autres paramètres de processus, établir une base de données de coupe auxiliaire de chauffage laser parfaite, fournir une base théorique pour un choix raisonnable de paramètres de traitement.(3) Renforcer la recherche sur le système de coupe auxiliaire de chauffage laser industrialisé, améliorer la R&D de production et les capacités de support du système de coupe auxiliaire de chauffage au laser, et améliorent l'intégration, la stabilité et la précision du système de coupe auxiliaire de chauffage au laser pour promouvoir le laser L'application de production réelle de la technologie de coupe assistée par chauffage.Avec l'avancement continu de la technologie laser, la technologie de traitement de coupe et la technologie des matériaux, la technologie de traitement de découpe auxiliaire par chauffage au laser aura une perspective de développement plus large dans les domaines du traitement des matériaux difficiles à traiter, du micro-usinage et d'autres domaines.
Source: Meeyou Carbide