Postęp badań nad technologią cięcia wspomaganego laserowo

Streszczenie : W artykule podsumowano postęp badań nad technologią cięcia wspomaganego nagrzewaniem laserowym w ostatnich latach. W aspekcie badań eksperymentalnych podsumowano cechy obróbki toczenia, frezowania, wiercenia i szlifowania wspomaganego nagrzewaniem laserowym oraz opisano wpływ parametrów lasera i parametrów skrawania na jakość obróbki. Badania wykazały, że w pewnym zakresie odpowiednie zwiększenie mocy lasera, zmniejszenie prędkości cięcia, zmniejszenie prędkości posuwu sprzyjają pełnemu zmiękczeniu materiału w strefie cięcia, co może usprawnić obróbkę materiałów obrabianych, obróbkę wydajność i jakość przetwarzania. Obecnie badania symulacyjne cięcia wspomaganego nagrzewaniem laserowym skupiają się głównie na symulacji pola temperatury cięcia i procesu cięcia. Ustanawiając model pola temperatury, można przewidzieć optymalny zakres temperatur usuwania materiału i zoptymalizować parametry przetwarzania. Symulacja procesu skrawania bada wpływ wielkości fizycznych, takich jak naprężenia, odkształcenia i temperatura, stanowiąc podstawę do kontrolowania jakości powierzchni części podczas rzeczywistej obróbki. Dalsze prace powinny dodatkowo wzmocnić badania nad mechanizmem przetwarzania, technologią przetwarzania, optymalizacją symulacji i innymi aspektami, ustanowić idealną bazę danych do obróbki pomocniczego cięcia laserowego w celu promowania przemysłowego zastosowania tej technologii. W ostatnich latach zaawansowane materiały inżynieryjne, takie jak inżynieria ceramika, materiały kompozytowe, stopy wysokotemperaturowe i stopy tytanu mają doskonałe właściwości, takie jak wysoka wytrzymałość, odporność na zużycie, odporność na korozję i dobra stabilność termiczna. Są stosowane w przemyśle maszynowym, chemicznym, lotniczym i jądrowym. Pole było szeroko stosowane. W przypadku obróbki tych materiałów metodami konwencjonalnymi, ze względu na cechy wysokiej twardości, wysokiej wytrzymałości i niskiej plastyczności, siła skrawania i temperatura skrawania są bardzo wysokie, zużycie narzędzia jest duże, jakość obróbki słaba, a geometria obróbki jest ograniczony. Obróbka wspomagana laserem (obróbka wspomagana laserem, LAM) wykorzystuje nagrzewanie laserowe w celu zmiękczenia materiału strefy cięcia i użycia narzędzia do cięcia. W porównaniu z obróbką konwencjonalną zmniejsza siłę skrawania, wydłuża żywotność narzędzia, poprawia jakość obróbki i wydajność obróbki. Takie aspekty mają wiele zalet i stanowią skuteczny sposób rozwiązywania problemów z obróbką trudnych materiałów. Dlatego technologia cięcia wspomaganego ogrzewaniem laserowym stała się jednym z najgorętszych punktów badawczych w dziedzinie obróbki skrawaniem w ostatnich latach. Technologia cięcia wspomaganego ogrzewaniem laserowym przeszła długą drogę od jej wprowadzenia w 1978 roku, po dziesięcioleciach rozwoju. König i in. objął prowadzenie w zastosowaniu technologii pomocniczego toczenia podgrzewanego laserowo do obróbki materiałów ceramicznych z azotku krzemu, poprawił wydajność obróbki materiału i uzyskał obrabianą powierzchnię o chropowatości powierzchni Ra poniżej 0,5 μm. Yang i in. przeprowadził eksperymenty frezowania wspomaganego ogrzewaniem laserowym na ceramice z azotku krzemu. Wyniki pokazują, że gdy ogrzewanie wspomagane laserem jest stosowane do zwiększenia temperatury strefy cięcia z 838℃ do 1319℃, siła cięcia zmniejsza się o prawie 50%, a krawędzie pękają. Zjawisko to zostało znacznie zredukowane, a jakość obrabianej powierzchni poprawiona, co wskazuje na możliwość wspomaganego laserowo frezowania materiałów ceramicznych. Anderson i in. Wspomagane laserowo toczenie materiału Inconel 718 w porównaniu z obróbką konwencjonalną (energia skrawania wymagana do usunięcia jednostkowej objętości materiału), zmniejszyło 25%, a trwałość narzędzia wzrosła 2~3 razy. Dandekar i in. przeprowadzili eksperyment toczenia wspomaganego ogrzewaniem laserowym na kompozycie A359/20SiCP wzmocnionym cząstkami azotku krzemu z osnową aluminiową. W porównaniu z konwencjonalną obróbką, energia może zostać zmniejszona o 12%, żywotność narzędzia jest zwiększona o 1,7~2,35 razy, a chropowatość powierzchni Ra jest zmniejszona. 37%. Wu Xuefeng i wsp. stwierdzili, że gdy materiał ze stopu wysokotemperaturowego GH4698 był podgrzewany laserowo i wspomagany frezowaniem, mógł skutecznie zmniejszyć wytrzymałość materiału, gdy temperatura strefy cięcia wynosiła 600 ℃. W porównaniu z frezowaniem konwencjonalnym siła skrawania została zmniejszona o 35%, a jakość powierzchni obróbki była lepsza. Hedberg i in. przeprowadził eksperymenty frezowania laserowego na materiale stopu tytanu Ti6Al4V. W porównaniu z konwencjonalną obróbką siła skrawania została zmniejszona o 30% do 50%, naprężenie szczątkowe powierzchni zostało zmniejszone o 10%, a koszt obróbki został zaoszczędzony dzięki 33%. W tym artykule dokonano przeglądu ostatnich postępów w toczeniu, frezowaniu, wierceniu i szlifowaniu wspomaganym nagrzewaniem laserowym oraz wybiega w przyszłość kierunek technologii cięcia wspomaganego nagrzewaniem laserowym.1 Zasada pomocniczego cięcia laserowego zastosowanie wysokoenergetycznej wiązki laserowej do naświetlania obrabianej powierzchni. Materiał w krótkim czasie zostaje nagrzany do określonej temperatury, następuje zmiękczenie, a następnie następuje proces cięcia. Podstawową zasadę obróbki pokazano na rys.1. Temperatura ma znaczący wpływ na wydajność przetwarzania materiału. Podgrzewając materiał, można zmniejszyć wytrzymałość i twardość materiału, siłę skrawania, a także zużycie narzędzia i wibracje, co poprawia jakość obróbki i poprawia dokładność obróbki i wydajność obróbki. Wpływ temperatury na wytrzymałość na rozciąganie różnych materiałów pokazano na rys. 2 .Rys. 1 Schemat ideowy obróbki wspomaganej laserowoRys. 2 Wpływ temperatury na wytrzymałość na rozciąganie różnych materiałów 1.2 Laserowe źródło ciepła Metody ogrzewania powszechnie stosowane w różnych procesach cięcia wspomaganego ogrzewaniem obejmują ogrzewanie laserowe , ogrzewanie elektryczne , ogrzewanie łukiem plazmowym oraz ogrzewanie płomieniem tlenowo-acetylenowym . W przeciwieństwie do tego, ogrzewanie laserowe ma zalety wysokiej gęstości mocy, szybkiego wzrostu temperatury, dobrej dystrybucji energii i kontroli czasu, i stało się idealnym źródłem ciepła do cięcia z dodatkowym ogrzewaniem. W systemie laserowym powszechnie używanym do cięcia wspomaganego laserem Laser CO2 oscyluje wiązką laserową o długości fali 10,6 μm. Ponieważ naturalna częstotliwość swobodnych elektronów na powierzchni metalu jest znacznie większa niż wiązka lasera w tym paśmie, większość energii lasera jest odbijana przez wolne elektrony na powierzchni, co skutkuje bardzo wysoką transmitancją. Niski, laser nie może być dobrze zaabsorbowany przez metal, ale materiał ceramiczny może pochłaniać długość fali lasera więcej niż 85%, więc laser CO2 jest często używany jako źródło ciepła do obróbki ceramiki i innych materiałów niemetalicznych. Domieszkowany neodymem laser z granatu aluminiowego (Nd:YAG) oscyluje laserem o długości fali 1,064 μm, co ułatwia absorpcję materiałów metalicznych i jest odpowiedni do transmisji zwierciadlanej i transmisji światłowodowej. Może być zintegrowany z obrabiarkami w złożonych systemach obróbki. Lasery półprzewodnikowe charakteryzują się małymi rozmiarami, niewielką wagą, wysoką wydajnością, długą żywotnością itp. i mogą być integrowane z różnymi urządzeniami optoelektronicznymi, zmniejszając ilość laserów i urządzeń peryferyjnych, a koszty eksploatacji są stosunkowo niskie. Jakość wiązki emitowanej przez laser światłowodowy jest dobra i stabilna. Jego zintegrowana struktura może rozwiązać problemy spowodowane zanieczyszczeniami i zmianami położenia elementów optycznych we wnęce. Włókno jest małe, elastyczne i podatne na zginanie oraz jest wygodne do transmisji laserowej, co przyczynia się do miniaturyzacji układu mechanicznego. Intensyfikacja .2 Cięcie wspomagane nagrzewaniem laserowym postęp badań eksperymentalnych2.1 Toczenie wspomagane nagrzewaniem laserowym Ze względu na wprowadzenie laserowego źródła ciepła cięcie wspomagane nagrzewaniem laserowym różni się od obróbki konwencjonalnej doborem parametrów procesu. Wyznaczenie parametrów obróbki musi opierać się na zasadzie doboru konwencjonalnej wielkości cięcia i kompleksowo uwzględniać wpływ termicznego efektu lasera na materiał obrabiany i trwałość narzędzia. Rozsądnie dobieraj parametry lasera i parametry cięcia, aby osiągnąć cel poprawy jakości powierzchni i poprawy wydajności obróbki. Parametry lasera, w tym moc lasera, rozmiar plamki lasera, szybkość skanowania lasera, odległość plamki lasera i końcówki narzędzia oraz kąt emisji lasera mają istotne znaczenie wpływ na rozkład temperatury w strefie skrawania i stopień zmiękczenia materiału. Panjehpour i in. przeprowadzili eksperymenty na toczeniu AISI52100 wspomaganym ogrzewaniem laserowym i odkryli, że wraz ze wzrostem mocy lasera zwiększa się głębokość wnikania ciepła, materiał strefy skrawania jest wystarczająco zmiękczony, narzędzie otrzymuje mniejszy opór podczas cięcia, a zużycie narzędzia maleje. Gdy moc lasera przekroczy 425 W, narzędzie przegrzeje się, a jego zużycie wzrośnie. Optymalnymi parametrami obróbki uzyskanymi w eksperymencie były: moc lasera P=425 W, częstotliwość impulsów fp=120 Hz, prędkość skrawania vc=70 m/min, posuw f=0,08 mm/obr, głębokość skrawania ap=0,2 mm. Przy takiej kombinacji parametrów obróbki chropowatość powierzchni Ra jest zmniejszona o 18% w porównaniu z konwencjonalną obróbką i jest o 25% niższa niż w przypadku skrawania. Kannan i in. zwrócił uwagę, że toczenie ceramiki z tlenku glinu wspomagane ogrzewaniem laserowym wskazuje, że wraz ze wzrostem szybkości skanowania laserowego czas naświetlania materiału w strefie cięcia jest stosunkowo skrócony przez laser, a stopień zmiękczenia materiału jest zmniejszony, co skutkuje wzrost siły cięcia. Optymalnymi parametrami obróbki uzyskanymi w eksperymencie są: moc lasera P=350 W, posuw f=0,03 mm/obr, głębokość skrawania ap=0,3 mm, średnica plamki d=2 mm, prędkość skanowania laserowego v=35-55 mm /min. Dzięki takiej kombinacji parametrów obróbki, siły skrawania można zmniejszyć nawet o 80% w porównaniu z konwencjonalną obróbką, a żywotność narzędzia znacznie się zwiększa. Navas i in. przeprowadzili eksperyment toczenia wspomaganego nagrzewaniem laserowym na Inconel718 i zbadali wpływ rozmiaru plamki lasera oraz odległości plamki lasera i końcówki narzędzia na wydajność cięcia Inconel718. Przeprowadzono eksperymenty w celu porównania różnicy w gęstości mocy, czasie reakcji i sile cięcia między plamką kwadratową o wymiarach 1,25 mm × 1,25 mm, plamką eliptyczną o wymiarach 1,6 mm × 1,3 mm i plamką okrągłą o średnicy 2 mm. Gęstość mocy plamki kwadratowej była wysoka i zaobserwowano eliptyczną reakcję plamki. Okrągła plamka ma przez długi czas umiarkowaną gęstość mocy i czas reakcji, co jest bardziej widoczne przy zmniejszeniu siły skrawania. Wraz ze wzrostem średnicy plamki zwiększa się obszar napromieniania, ale gęstość mocy lasera zmniejsza się, a jednostkowa powierzchnia przedmiotu obrabianego jest redukowana przez energię napromieniania, co skutkuje zmniejszeniem efektu zmiękczania przez nagrzewanie. Środek plamki lasera i końcówkę lasera należy utrzymywać w odpowiedniej odległości, nie tylko po to, aby uzyskać efekt nagrzewania wspomaganego laserem, ale także aby zapobiec uszkodzeniu frezu przez przegrzanie lub stopieniu się wióra rozpryskującego się na obrabianym powierzchni, aby wpłynąć na jakość przetwarzania.鄢锉 et al. laserowo wspomagane toczenie ceramiki z tlenku glinu. Wiązka lasera padała stycznie pod kątem padania Brewstera. Plama była eliptyczna, chociaż gęstość mocy lasera była zmniejszona w stosunku do napromieniowania pionowego. W miarę powiększania powierzchni materiał w strefie cięcia jest nagrzewany bardziej równomiernie, co sprzyja poprawie jakości obróbki. Ding i in. wykorzystał dwa lasery do przeprowadzenia eksperymentów toczenia laserowego na superstopie na bazie niklu AMS5704, co spowodowało, że wiązka lasera CO2 oświetlała pionowo powierzchnię obrabianego przedmiotu, a wiązka lasera Nd:YAG była przechylana w celu napromieniowania powierzchni przejściowej przedmiotu obrabianego. Obszar cięcia jest ogrzewany bardziej równomiernie. W porównaniu z konwencjonalną obróbką obszar skrawania jest zmniejszony o 20%, żywotność narzędzia jest zwiększona o 50%, a chropowatość powierzchni Ra jest zmniejszona o 200% do 300%. Parametry skrawania, takie jak prędkość posuwu, prędkość skrawania i głębokość skrawania, mają bardzo duże znaczenie wpływ na jakość obróbki, wydajność obróbki i koszt obróbki. Kim i in. przeprowadzili eksperymenty na podgrzewanym toczeniu pomocniczym ceramiki z azotku krzemu i odkryli, że wraz ze wzrostem ilości posuwu spada średnia temperatura nagrzewania w strefie skrawania, co skutkuje wzrostem siły skrawania i skróceniem trwałości narzędzia. Wraz ze wzrostem głębokości skrawania głębokość zmiękczenia głębokiego materiału jest niewielka, co powoduje wzrost siły skrawania i zużycie narzędzia. Głębokość cięcia materiału ceramicznego z azotku krzemu wynosi maksymalnie 3 mm. Xavierarockiaraj i in. przeprowadził eksperymenty toczenia laserowego ze wspomaganiem ogrzewania na stali narzędziowej SKD11 i przeanalizował wpływ parametrów skrawania na siłę skrawania, chropowatość powierzchni i zużycie narzędzia. Wraz ze wzrostem prędkości posuwu, siły skrawania, zużycia narzędzia i chropowatości powierzchni, należy stosować mniejszą prędkość posuwu, aby wydłużyć czas mięknienia cieplnego materiału. Wraz ze wzrostem prędkości skrawania zmniejsza się średnia temperatura nagrzewania w strefie skrawania, wzrasta zużycie narzędzia i wzrasta chropowatość powierzchni. Optymalna prędkość skrawania vc=100 m/min. Przy mocy lasera P=1000 W, prędkości skrawania vc=100 m/min i posuwie f=0,03 mm/obr można uzyskać minimalną siłę cięcia. Rashid użył lasera Nd:YAG do przeprowadzenia eksperymentu toczenia wspomaganego ciepłem na stopie Ti6Cr5Mo5V4Al. Zalecane parametry obróbki wahały się od: moc lasera P=1200 W, posuw f=0,15~0 . 25 mm/r, Prędkość skrawania vc = 25~100m/min. Przy posuwie f<0,15 mm/obr wydajność obróbki jest niska; gdy prędkość posuwu f>0,25 mm/obr, stopień zmiękczenia nagrzanego materiału strefy skrawania jest niski, co pogorszy zużycie narzędzia. Szybkość skrawania vc<25 m/min. Gdy obrabiany przedmiot jest nagrzewany przez długi czas, przegrzanie powoduje zużycie narzędzia i obniżenie jakości obrabianej powierzchni. Gdy prędkość skrawania vc>100 m/min zmniejsza się obszar cięcia przedmiotu przez czas nagrzewania lasera, materiał nie może być w pełni zmiękczony, co powoduje poważne zużycie narzędzia. Tadavani i wsp. przeprowadzili ogrzewanie laserowe wspomagane włączaniem Inconelu 718. Ortogonalny projekt eksperymentu, stosunek sygnału do szumu i analiza wariancji wykazały, że optymalnymi parametrami przetwarzania były: moc lasera P = 400 W, częstotliwość impulsów fp = 80 Hz, temperatura ogrzewania T = 540℃, prędkość skrawania vc = 24 m/min, posuw f = 0,052 mm/obr. Dzięki tej kombinacji parametrów obróbki chropowatość powierzchni Ra jest zmniejszona o 22% w porównaniu z konwencjonalną obróbką, 35% mniej niż skrawanie, a zużycie narzędzia jest mniejsze o 23%. Ponadto Mohammadi i in. zbadano również wpływ geometrii narzędzia na jakość powierzchni wspomaganego laserowo toczenia płytek krzemowych. Przy mocy lasera P=20 W, prędkość wrzeciona n=2000 obr/min, posuw f=0,001 mm/obr, głębokość skrawania ap=0,005 mm, gdy kąt natarcia narzędzia wynosi γ0=−45°, Chropowatość powierzchni Ra wynosi 9,8 nm. Gdy kąt natarcia wynosi γ0 = -25°, wynikowa chropowatość powierzchni Ra wynosi 3,2 nm.2.2 Frezowanie wspomagane ogrzewaniem laserowym Frezowanie odnosi się do użycia obrotowego narzędzia z wieloma ostrzami do cięcia przedmiotu obrabianego. Może obrabiać nie tylko spłaszczenia, rowki, zęby kół zębatych, ale także skomplikowane powierzchnie. Ponieważ frezowanie jest wieloostrzowym przerywanym cięciem, grubość każdego zęba podczas procesu skrawania zmienia się, a obciążenie udarowe jest duże i istnieje prawdopodobieństwo wystąpienia wibracji. Zastosowanie frezowania wspomaganego laserem może zmniejszyć drgania frezu podczas cięcia, zmniejszyć siły skrawania, wydłużyć żywotność narzędzia i poprawić jakość powierzchni obróbki. Kumar et al. stwierdzili, że w podgrzewanym laserowo frezowaniu pomocniczym stali narzędziowej A2 szybkość usuwania materiału została zwiększona 6-krotnie, siła skrawania została zmniejszona o 69%, a zadzior frezowania został zmniejszony w porównaniu z konwencjonalną obróbką. Uszkodzenia są znacznie zmniejszone. Woo i in. zastosował ogrzewanie laserowe do wspomagania frezowania powierzchni sferycznych i stwierdził, że siły skrawania AISI1045 i Inconel718 zostały zmniejszone odpowiednio o 82% i 38%, a chropowatość powierzchni Ra została zmniejszona odpowiednio o 53% i 74% w porównaniu z konwencjonalną obróbką. Wibracje narzędzia zostały zmniejszone w niewielkim stopniu. Kim i in. przeprowadził eksperymenty z frezowaniem wspomaganym nagrzewaniem laserowym na sferycznych elementach obrabianych ze stopu tytanu AISI1045, Inconel718 i stopu tytanu. W porównaniu z konwencjonalną obróbką siły frezowania AISI1045, Inconel718 i stopów tytanu zmniejszyły się odpowiednio o 2,1% do 8,6% i 3,7%. ~12,3%, 0,8%~21,2%, chropowatość powierzchni Ra zmniejszyła się odpowiednio o 14,5%~59,1%, 19,9%~32,4% i 15,7%~36%, a wydajność obróbki znacznie wzrosła. do wysokiej temperatury w strefie skrawania, łatwo jest spowodować zużycie narzędzia lub rozproszenie zużycia. W ciężkich przypadkach może to spowodować odkształcenie plastyczne narzędzia i zmianę parametrów geometrycznych narzędzia. Rozsądny wybór płynu obróbkowego może skutecznie zmniejszyć tarcie między narzędziem a przedmiotem obrabianym, narzędziem i wiórem, obniżyć temperaturę skrawania oraz zwiększyć trwałość narzędzia i jakość obróbki. Bermingham i in. stwierdzili, że przy niższej szybkości skrawania użycie niewielkiej ilości smaru do chłodzenia narzędzia może obniżyć temperaturę skrawania i opóźnić występowanie drobnych wyszczerbień lub złuszczania się Ti6Al4V. Trwałość narzędzia zwiększa się ponad 5-krotnie. Przy wyższych prędkościach skrawania użycie płynów obróbkowych może spowodować szok termiczny lub zmęczenie cieplne przedmiotu obrabianego i narzędzia. 2.3 Laserowe wiercenie wspomagane ciepłem Wiercenie jest szeroko stosowane w obróbce różnego rodzaju części maszyn. Kiedy konwencjonalne wiercenie jest używane do obróbki odkuwek, materiałów trudnych w obróbce lub części utwardzonych, ze względu na wysoką twardość, wytrzymałość, nieregularne kształty powierzchni itp., łatwo jest doprowadzić do skośnego wiercenia, dużej siły osiowej wiercenia i poważne zużycie wiertła. Wiercenie wspomagane ogrzewaniem laserowym polega na zastosowaniu lasera do nagrzania wierconego obszaru przedmiotu obrabianego, zmiękczenia materiału warstwy wierzchniej, a następnie wyłączenia lasera i szybkiego wiercenia nagrzanego obszaru. Zastosowanie laserowej metody ogrzewania do wiercenia może zapewnić dokładność pozycjonowania wiertła, uniknąć stronniczości, zmniejszyć opór wiercenia i zużycie wiertła, a następnie poprawić dokładność obróbki i wydajność przetwarzania. Obecnie badania nad wierceniem wspomaganym laserem są znacznie mniejsze niż toczenie i frezowanie wspomagane laserem, ale również poczyniono pewne postępy. Jen i in. przeprowadził wiercenie wspomagane nagrzewaniem laserowym materiałów ze stali węglowej. Podczas eksperymentu plamka lasera CO2 została dostosowana do kształtu pierścienia, aby wywiercić środek napromieniania, aby uzyskać moc lasera i rozmiar plamki lasera dla temperatury ogrzewania. Wpływaj na prawa, poprawiaj jakość i wydajność wiercenia. Zheng i in. wykorzystał technologię wiercenia wspomaganego nagrzewaniem laserowym do przeprowadzenia eksperymentalnego badania nad wierceniem kluczowych części samochodowych. W porównaniu z wierceniem konwencjonalnym, średnica wierconego otworu w stali 40Cr, 45 i stali nierdzewnej zwiększyła się odpowiednio o 50,5. %, 52.2%, 51.4%; pod względem wydajności wiercenia, QT600, 45 stali i stali nierdzewnej wzrosły odpowiednio o 19.3%, 16.3% i 39.9%. Podobnie Zhang i in. przeprowadził eksperymenty na wierceniu wspomaganym laserem w stali 41Cr4, C45E4, stali nierdzewnej i żeliwie. W porównaniu z wierceniem konwencjonalnym stwierdzono, że 41Cr4, C45E4 i stal nierdzewna zwiększyły się pod względem średnicy wejścia. 122.7%, 85.9%, 140.7%; pod względem wydajności wiercenia, żeliwo, C45E4 i stal nierdzewna wzrosły odpowiednio o 18,6%, 16,3% i 39,9%. Choubey i in. zastosował metodę ogrzewania wspomaganego laserem Nd: YAG do wiercenia marmuru i stwierdził, że może skutecznie zmniejszyć koncentrację naprężeń na powierzchni marmuru, poprawić integralność powierzchni, zmniejszyć koszty przetwarzania i poprawić wydajność przetwarzania. W procesie wiercenia wspomaganego ogrzewaniem laserowym, laser może tylko szybko nagrzać i zmiękczyć materiał powierzchni przedmiotu obrabianego, co sprzyja szybkiemu wierceniu; jednak wraz ze wzrostem głębokości wiercenia laser nie może nagrzać materiału w otworze. Nie można dalej poprawić wydajności przetwarzania. Obecnie istnieje niewiele doniesień na temat siły wiercenia, zużycia narzędzi, okrągłości otworów i chropowatości powierzchni w procesie wiercenia wspomaganego nagrzewaniem laserowym, a prace badawcze w tych obszarach wymagają dalszego wzmocnienia.2.4 Szlifowanie wspomagane nagrzewaniem laserowym Inżynieria materiałów ceramicznych, takich jak azotek krzemu, tlenek glinu i tlenek cyrkonu są coraz częściej stosowane w mechanice, motoryzacji, lotnictwie i innych dziedzinach ze względu na ich wysoką wytrzymałość, wysoką twardość i odporność na korozję. Szlifowanie jest główną metodą przetwarzania ceramiki inżynierskiej. Ze względu na dużą twardość i dużą kruchość materiałów ceramicznych, skutkuje to dużą siłą skrawania, dużym zużyciem narzędzi, niską wydajnością usuwania materiału i łatwym uszkodzeniem podpowierzchniowym. Dodatkowo, ze względu na słabą przewodność cieplną ceramiki, ciepło powstałe w procesie szlifowania akumuluje się na powierzchni przedmiotu obrabianego, powodując bardzo duży gradient temperatury na powierzchni przedmiotu obrabianego. Może to łatwo doprowadzić do uszkodzeń termicznych powierzchni materiału, a nawet pęknięć. Szlifowanie wspomagane nagrzewaniem laserowym wykorzystuje laser do wstępnego nagrzewania powierzchni przedmiotu obrabianego, co może znacznie zmniejszyć twardość i kruchość materiału, zmniejszyć siłę szlifowania, zmniejszyć powstawanie uszkodzeń podpowierzchniowych i poprawić jakość szlifowanie powierzchni .Chang et al. używał wspomaganego laserowo szlifowania do obróbki materiałów ceramicznych z azotku krzemu. W porównaniu ze szlifowaniem konwencjonalnym, nagrzewanie laserowe wspomagane procesem obróbki jest bardziej stabilne, integralność powierzchni jest lepsza i nie ma oczywistej zmiany mikrostruktury i pęknięcia. Kumar i in. wykonał wspomagane laserowo szlifowanie ceramiki z azotku krzemu. Wyniki pokazują, że siła skrawania jest zmniejszona o 43.2%, zużycie narzędzia jest mniejsze, a szybkość usuwania materiału jest wyższa w porównaniu ze szlifowaniem konwencjonalnym. Kizaki i in. przeprowadzili eksperymenty szlifowania wspomaganego ogrzewaniem laserowym na polikrystalicznej ceramice tetragonalnej tlenku cyrkonu stabilizowanej tlenkiem itru (Y-TZP). Wyniki pokazują, że odpowiednia temperatura szlifowania materiałów Y-TZP wynosi około 490℃. W temperaturze odporność na pękanie Y-TZP wynosi 5,3 MPa·m1/2, czyli znacznie mniej niż 9,1 MPa·m1/2 w temperaturze pokojowej. W porównaniu z konwencjonalną obróbką, szlifowanie wspomagane laserem może zmniejszyć twardość materiału, zmniejszyć siłę szlifowania i zużycie narzędzi oraz poprawić jakość i wydajność obróbki.2.5 Obróbka laserowego wspomagania ogrzewania Frezowanie tokarskie to zaawansowana metoda cięcia, w której wykorzystuje się frezy. Połączony ruch obrotowy i obrót przedmiotu obrabianego do obróbki . Obróbka tokarsko-frezarska obejmuje cztery podstawowe ruchy obrotu przedmiotu obrabianego, obrót frezu, posuw osiowy i promieniowy frezu. Metody obróbki dzielą się na dwie główne kategorie: toczenie i frezowanie ortogonalne oraz toczenie i frezowanie osiowe, wśród których bardziej rozległe jest zastosowanie toczenia i frezowania ortogonalnego. Jako stosunkowo nowa metoda obróbki kompozytowej, cechy toczenia i frezowania to głównie: doskonała przerywana obróbka skrawaniem, duża szybkość usuwania metalu. Ma dobrą zdolność przetwarzania części obrotowych o specjalnym kształcie. Toczenie i frezowanie wspomagane ogrzewaniem laserowym może dodatkowo zmniejszyć siłę skrawania, aby wydłużyć żywotność narzędzia, ulepszyć złożone części profilowe i uzyskać dokładne zerowanie wału. Jakość przetwarzania kawałków. Chio i in. opracował zestaw aplikacji opartych na języku C++, które mogą konwertować pliki graficzne CAD na kod NC, umożliwiając automatyczne programowanie detali o przekroju prostokątnym i czteroskrzydłowym. Program został z powodzeniem zastosowany w 5-osiowym centrum obróbczym. Kim i in. przeprowadził eksperymenty z frezowaniem i obróbką frezarską wspomaganą nagrzewaniem laserowym na materiale SM45C. W porównaniu z konwencjonalną obróbką tokarską i frezarską drgania narzędzia podczas skrawania zostały zredukowane i cięte. Proces cięcia jest bardziej stabilny, siły osiowe i promieniowe elementu o przekroju prostokątnym są zmniejszone odpowiednio o 10,4% i 13,5%, a element o przekroju czterolistnym jest osiowy. Siła i siły promieniowe zostały zmniejszone odpowiednio o 10.6% i 8.9%. Chropowatość powierzchni Ra przekroju prostokątnego i elementu czterolistkowego została zmniejszona odpowiednio o 39.9% i 37.1%. Cha i wsp. wykorzystali metodę Taguchiego do optymalizacji parametrów obróbki toczenia i frezowania ceramiki z azotku krzemu wspomaganej nagrzewaniem laserowym. Wyniki wykazały, że istotny wpływ na chropowatość powierzchni miała głębokość cięcia, moc lasera i prędkość skrawania. Proces frezowania i frezowania wspomagany nagrzewaniem laserowym ma pewne zalety w zakresie zmniejszenia siły skrawania, wydłużenia żywotności narzędzia i poprawy wydajności obróbki. Jednak nadal istnieje wiele niedociągnięć w stabilności obrabiarki i błędach kształtu obróbki i nadal potrzebne są dalsze badania i ulepszenia. 2.6 Inne metody obróbki pomocniczego cięcia laserowego Nagrzewanie wspomagane laserem może być również stosowane do innych metod obróbki, takich jak struganie, polerowanie, toczenie i wykańczanie. Chang i in. odkryli, że gdy ogrzewanie laserowe pomaga w struganiu ceramiki z tlenku glinu, siła osiowa jest zmniejszona o 20%, a siła promieniowa o 22% w porównaniu do strugania konwencjonalnego. Stopień Ra jest zmniejszony o ponad 50%, a integralność powierzchni jest lepsza. Tian i in. przeprowadziła testy polerowania wspomaganego nagrzewaniem laserowym na materiałach AISI4140 i MP35N. Wyniki pokazują, że zużycie narzędzia jest znacznie zmniejszone, a integralność powierzchni obróbki jest lepsza niż w przypadku konwencjonalnego procesu polerowania, ale pozostałości powierzchni są lepsze. Wzrosły naprężenia. W przypadku ściernicy o wysokiej twardości, trudności w obciąganiu, niskiej wydajności przycinania, Zhang i wsp. przeprowadzili eksperyment przycinania przy toczeniu wspomaganym ogrzewaniem laserowym na ściernicy CBN o spoiwie metalowym. W porównaniu z tradycyjną metodą obciągania za pomocą narzędzia diamentowego, ogrzewanie laserowe pomogło w zapewnieniu jakości obciągania. Toczenie i obciąganie może znacznie skrócić czas obciągania, poprawić wydajność obciągania i wydłużyć żywotność narzędzia do obciągania. Podsumowując, toczenie, frezowanie, wiercenie, szlifowanie i inne metody obróbki wspomagane ogrzewaniem laserowym mają oczywiste zalety w porównaniu z konwencjonalną obróbką w zakresie redukcji siła cięcia, poprawa trwałości narzędzia, poprawa jakości obróbki i oszczędność kosztów, ale w nagrzewaniu laserowym. Istnieją pewne braki w badaniach nad pomocniczym procesem cięcia, mechanizmem zużycia narzędzi itp. Technologia obróbki pomocniczej nagrzewania laserowego nadal ma wiele do zrobienia.3 Postęp badań symulacji cięcia wspomaganego nagrzewaniem laserowym 3.1 Badanie symulacji pola temperaturyW pomocniczym nagrzewaniu laserowym obróbka skrawaniem, temperatura i rozkład strefy skrawania są jednymi z kluczowych czynników wpływających na trwałość narzędzia i jakość obróbki. Nadmiernie wysokie temperatury w strefie skrawania mogą powodować termiczne uszkodzenia materiału lub zużycie narzędzia, wpływając na jakość obrabianej powierzchni, a zbyt niska temperatura może osłabiać efekt nagrzewania wspomaganego laserem. Metoda symulacji pola temperatury może bardziej intuicyjnie i dokładniej odzwierciedlać rzeczywisty rozkład pola temperatury cięcia. Dzięki ustaleniu modelu symulacji pola temperatury przy różnych parametrach procesu, przewidywaniu optymalnego zakresu temperatury usuwania materiału i optymalizacji parametrów przetwarzania można znacznie zaoszczędzić rzeczywisty koszt pomiaru. W dziedzinie badań symulacyjnych pola temperatury wiele obecnie stosowanych metod symulacji numerycznych obejmuje metodę elementów skończonych, metodę objętości skończonych itp. Cha i in. ustanowili trójwymiarowy model pola temperatury nieustalonej ceramiki z azotku krzemu do wspomaganego nagrzewaniem laserowym frezowania i obróbki metodą elementów skończonych. Symulowany i zmierzony średni błąd temperatury przy różnym nagrzewaniu mocy lasera wynosi 1,5% ~ 6,2%. Roostaei i in. ustanowiono trójwymiarowy model elementów skończonych pola temperatury ceramiki topionej krzemionki (SCFS) i porównano wyniki symulacji z wynikami pomiarów pirometru. Gdy czas nagrzewania wynosi od 25 s do 43 s, oba są w zasadzie spójne. . Gdy czas nagrzewania jest krótszy niż 25 s lub większy niż 43 s, błąd między tymi dwoma wzrasta, a maksymalny błąd temperatury wynosi 40 K. Kim i in. przeprowadziła symulację elementów skończonych i badania eksperymentalne pola temperatury obróbki tokarsko-frezarskiej wspomaganej nagrzewaniem laserowym SM45C. Wyniki wykazały, że SM45C miał prostokątne odcięcie. Błąd przewidywania średniej temperatury nagrzewania powierzchni i przekroju czterolistnej koniczyny wynosił odpowiednio 8,7% i 6,4%. Efektywne głębokości i szerokości elementów o prostokątnych przekrojach wynosiły odpowiednio 0,34 mm i 2,26 mm, a efektywne głębokości i szerokości elementów czteroskrzydłowych odpowiednio 0,45 mm i 2,89 mm. Rozzi i wsp. badali pole temperatury laserowego toczenia ceramiki z azotku krzemu metodą objętości skończonych i analizowała wpływ strumienia ciepła lasera, konwekcji powierzchniowej, przewodzenia ciepła i promieniowania cieplnego na temperaturę powierzchni oraz symulowała różne parametry skrawania. Rozkład pola temperatury pod parametrami lasera i wyniki symulacji pola temperatury są zasadniczo zgodne z wynikami eksperymentalnymi. Ponadto Zhang i wsp. opracowali quasi-stacjonarny model wymiany ciepła dla wspomaganego ciepłem laserowego cięcia ceramiki z tlenku glinu metodą różnic skończonych i przeprowadzili symulację wpływu różnej mocy lasera, szybkości skanowania laserowego i promienia plamki lasera na rozkład pola temperatury. Badania wykazały, że zastosowanie mniejszej szybkości skanowania laserowego, większej mocy lasera i mniejszego promienia plamki laserowej sprzyja bardziej zmiękczeniu materiału w strefie cięcia, a tym samym osiągnięciu idealnej głębokości cięcia. Kashani i in. opracował model numeryczny pola temperatury wspomaganego nagrzewaniem laserowym cięcia stali węglowej metodą analityczną. Do pomiaru rozkładu pola temperatury przedmiotu obrabianego wykorzystano pirometr. Błąd między wynikami symulacji a wynikami pomiarów mieścił się w granicach 10%. Chang i in. zastosował siatkową metodę Boltzmanna (LBM) do pola temperatury laserowego wspomaganego cieplnie cięcia ceramiki z tlenku glinu, a otrzymany rozkład pola temperatury był zgodny z wynikami eksperymentalnymi. uzyskać naprężenia skrawania, odkształcenia, temperaturę i inne zmienne fizyczne, w celu zmniejszenia uszkodzeń powierzchni skrawającej i stworzenia podstawy do optymalizacji parametrów obróbki. Metody stosowane do symulacji procesu skrawania obejmują metodę elementów skończonych, metodę elementów dyskretnych oraz metodę dynamiki płynów cząstek gładkich.Tian et al. wykorzystał metodę elementów skończonych do symulacji procesu obróbki laserowej i pomocniczej ceramiki z azotku krzemu. Wyniki pokazują, że pod działaniem obciążenia skrystalizowana faza szkła będzie generować mikropęknięcia i mikropęknięcia będą się rozszerzać. W końcu w strefie ścinania powstaje makroskopowe pęknięcie i następuje poślizg, który generuje nieciągłe wióry. Symulowana grubość chipa wynosi około 15 μm, czyli nieco mniej niż wynik eksperymentalny. Błąd siły skrawania wynosi od 10% do 15%. Symulowana wartość powierzchniowego naprężenia szczątkowego jest w zasadzie zgodna z wartością eksperymentalną, co świadczy o skuteczności modelu symulacyjnego. Liu i wsp. przeprowadzili symulację metodą elementów skończonych procesu frezowania wspomaganego nagrzewaniem laserowym materiałów Ti6Al4V. Na podstawie modelu pola temperatury dodano model frezowania metodą sekwencyjnego sprzężenia termicznego i uzyskano prawo zmienności siły skrawania oraz rozkład pola temperatury narzędzia. Błąd pomiędzy symulowanymi a eksperymentalnymi wartościami siły skrawania wyniósł 11,8%.Shen et al. zastosował metodę elementów dyskretnych (DEM) do symulacji procesu wspomaganego nagrzewaniem laserowym frezowania ceramiki z azotku krzemu. Zdyspergowane skupiska cząstek reprezentują strukturę materiałów ceramicznych z azotku krzemu, a pęknięcie jednostki wiążącej zostało wykorzystane do symulacji procesu przetwarzania. Powstawanie i rozszerzanie się pęknięć. Poprzez porównanie wyników symulacji i eksperymentów stwierdzono, że zastosowanie metody DEM do symulacji procesu skrawania pozwala przewidzieć uszkodzenia podpowierzchniowe materiałów w różnych warunkach obróbki; mechanizm usuwania materiału ceramicznego to głównie kruche pękanie; im większa głębokość skrawania, tym większa siła skrawania narzędzia. Im bardziej rozdrobniony jest obrabiany przedmiot, tym większy wpływ na powstawanie i propagację pęknięć ma siła skrawania. Balbaa i in. zastosowali metodę hydrodynamiki gładkich cząstek (SPH) do symulacji procesu cięcia materiału Inconel 718. Stwierdzono, że efekt zmiękczania czoła narzędzia przez nagrzewanie laserowe jest głównym czynnikiem powodującym naprężenia szczątkowe. Cięcie wspomagane nagrzewaniem laserowym wytwarza głównie powierzchnię wzdłuż kierunku cięcia. Szczątkowe naprężenie rozciągające, podczas gdy konwencjonalne cięcie wytwarza głównie szczątkowe naprężenie ściskające powierzchni. Ponadto Nasr i in. zastosował metodę elementów skończonych. Podobne wnioski uzyskano, gdy stal AISI 4340 została poddana badaniu symulacyjnemu procesu cięcia.4 Podsumowanie W niniejszym artykule dokonano przeglądu najnowszych postępów w dziedzinie technologii cięcia wspomaganego nagrzewaniem laserowym w ostatnich latach. Jeśli chodzi o metody przetwarzania, laserowe ogrzewanie pomocnicze toczenie, frezowanie, wiercenie, szlifowanie i inne technologie nadal się rozwijają i wprowadzają innowacje, zmniejszając siły skrawania, poprawiając jakość obróbki i poprawiając wydajność przetwarzania. Rozwiązywanie problemów z ceramiką inżynierską, materiałami kompozytowymi, stopami żaroodpornymi, tytanem Obróbka materiałów trudnoobrabialnych, takich jak stopy, stanowi opłacalną metodę. Poprzez badanie symulacyjne pola temperatury i procesu skrawania można zrealizować przewidywanie optymalnego zakresu temperatury usuwania materiału oraz optymalizację parametrów obróbki, stanowiąc podstawę do rzeczywistej obróbki. Chociaż technologia cięcia wspomaganego nagrzewaniem laserowym osiągnęła szereg wyników badań, nadal istnieją pewne problemy związane z mechanizmem przetwarzania, technologią przetwarzania i zastosowaniami przemysłowymi. W związku z tendencją rozwojową w kraju i za granicą do wykonania są jeszcze następujące prace badawcze: (1) Wzmocnienie badań nad warunkami przetwarzania i mechanizmem usuwania materiałów trudnoobrabialnych oraz rozwiązanie problemów takich jak klej zużycie narzędzi, trudności w oddzieleniu narzędzia od wiórów, chłodzenie narzędzia itp., które mogą wystąpić podczas procesu pomocniczego cięcia laserowego. (2) Wzmocnij badanie symulacji pomocniczego cięcia laserowego, ustal dokładne i szybkie model symulacji pola temperatury i procesu cięcia oraz poprawić szybkość i dokładność modelu symulacyjnego. Zoptymalizuj parametry lasera, parametry cięcia i inne parametry procesu, stwórz idealną bazę danych do cięcia pomocniczego do ogrzewania laserowego, zapewnij teoretyczną podstawę rozsądnego wyboru parametrów przetwarzania. (3) Wzmocnij badania nad uprzemysłowionym systemem cięcia pomocniczego do ogrzewania laserowego, popraw produkcję R&D i wspierające możliwości pomocniczego systemu cięcia laserowego oraz poprawę integracji, stabilności i dokładności pomocniczego systemu cięcia laserowego w celu promowania lasera Rzeczywiste zastosowanie technologii cięcia wspomaganego ogrzewaniem. Dzięki ciągłemu rozwojowi technologii laserowej, technologii obróbki cięcia i technologia materiałowa, technologia obróbki pomocniczego cięcia laserowego będzie miała szerszą perspektywę rozwoju w obszarach obróbki materiałów trudnych, mikroobróbki i innych dziedzinach.
Źródło: Carbide Meeyou