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Lasergestützte Bearbeitung schwer zerspanbarer Materialien: Forschungschancen und zukünftige Richtungen - Ein umfassender Überblick

Anzahl Durchsuchen:27     Autor:Site Editor     veröffentlichen Zeit: 2018-05-23      Herkunft:Powered erkundigen

 Abstrakt

  Hochfeste Legierungen wie Nickel und Titan sowie hochtechnologische Werkstoffe wie Keramik, Verbundwerkstoffe werden aufgrund ihrer inhärenten physikalisch-mechanischen Eigenschaften in der Luftfahrt-, Automobil-, Medizin- und Nuklearindustrie entwickelt und eingesetzt. Die Umwandlung dieser neuen Materialien in technische Produkte ist jedoch immer mit der Bearbeitung verbunden. Die Bearbeitbarkeitseigenschaften wie höhere Schneidkraft, höhere Schneidtemperatur, schlechte Oberflächenintegrität und kürzere Werkzeugstandzeiten, die mit diesen Materialien verbunden sind, stellen die Forscher vor große Herausforderungen und werden daher als schwierig zu schneidende Materialien angesehen. Herkömmliche Verfahren zur Bearbeitung dieser Materialien werden als unwirtschaftlich befunden. In den letzten Tagen sind viele Versuche unternommen worden, um die Bearbeitbarkeit dieser Materialien durch die Verwendung einer externen, mit Energie unterstützten Bearbeitung effektiver zu verbessern. Unter den verschiedenen außenenergiegestützten Zerspanungsmethoden hat die lasergestützte Zerspanung (LAM) die Aufmerksamkeit von Forschern auf dem Gebiet der Metallbearbeitung erlangt, und in den letzten Jahren wurden einige Forschungsarbeiten durchgeführt. In diesem Dokument soll der potenzielle Einsatz von LAM für schwer zerspanbare Werkstoffe, aktuelle Fortschritte, Vorteile und Herausforderungen bei der lasergestützten Bearbeitung untersucht und zusammengefasst werden. Darüber hinaus wird kein Optimierungsrahmenwerk zur Untersuchung der Auswirkung von Laserparametern und Bearbeitungsprozessparametern auf die Zerspanbarkeitsleistung berichtet, was für industrielle Prozesse anwendbar ist. Es wird der Schluss gezogen, dass weitere experimentelle Modellierungs- und empirische Techniken erforderlich sind, um prädiktive Modelle zu erstellen, die gute Ergebnisse liefern Übereinstimmung mit zuverlässigen Experimenten bei der Erklärung der Auswirkungen vieler Parameter für die Bearbeitung dieser schwer zerspanbaren Materialien.

1. Einleitung

  In den letzten Jahrzehnten werden fortschrittliche Materialien wie Superlegierungen auf Titan- und Nickelbasis, Eisenlegierungen, Keramiken, Verbundwerkstoffe und Kobalt-Chrom-Legierungen für hochfeste und hitzebeständige Anwendungen entwickelt, zu denen die Automobil-, Luftfahrt-, Nuklear-, Medizin- und Elektronikindustrie zählt [1 10].

  Diese Materialien zeichnen sich durch ein hervorragendes Verhältnis von Festigkeit zu Gewicht, eine starke Korrosionsbeständigkeit und die Fähigkeit aus, eine hohe Festigkeit bei hoher Temperatur beizubehalten. Diese Materialien haben alle eine überlegene Festigkeit und Zähigkeit im Vergleich zu herkömmlichen Konstruktionsmaterialien. Die Anwendungen dieser Materialien wachsen jedoch derzeit nicht, da dies die Hälfte der Endkosten des Produkts für die Umwandlung einer Endkomponente ausmacht [1, 2]. Dies ist auf eine niedrige Schnittgeschwindigkeit und eine geringere Schnitttiefe aufgrund von übermäßigem Werkzeugverschleiß zurückzuführen. Daher werden diese Materialien als schwer zu schneidende Materialien betrachtet. Während der Bearbeitung treten viele Probleme auf, z. B. übermäßige Wärmeerzeugung in der Schneidzone und hohe Reibung zwischen der Schnittstelle zwischen Werkzeug und Span, Tendenz zur Bildung von BUE und katastrophaler Ausfall der Schneidkante [3,4,5]. Dies kann einen signifikanten Effekt auf die Leistungsfähigkeit des Bearbeitungsprozesses haben, wie schlechte Bearbeitbarkeit, hohe Bearbeitungskosten und geringe Produktivität. Aufgrund der inhärenten Eigenschaften von schwer zu schneidendem Material erweisen sich herkömmliche Bearbeitungsverfahren wie Fräsen oder Drehen als ineffizient. Derzeit werden auf diese Materialien eine Reihe innovativer Bearbeitungsverfahren wie Schleifbearbeitung, Laserbearbeitung, Funkenerosion, chemische Bearbeitung, thermisch unterstützte Bearbeitungsverfahren wie lasergestützte Bearbeitung, plasmagestützte Bearbeitung angewendet. Unter den vielen Ansätzen ist ein Ansatz, der bei schwierig zu bearbeitenden Materialien immer beliebter wird, die lasergestützte Bearbeitung (LAM) aufgrund seines höheren Nutzens, des beträchtlichen technologischen Wachstums und der kommerziellen Durchführbarkeit.

In diesem Zusammenhang werden die aktuellen Fortschritte und Herausforderungen bei LAM in Bezug auf den Einfluss von Laserparametern und Bearbeitungsparametern auf die Prozesseffizienz von schwer zu schneidenden Materialien beleuchtet.

2. Lasergestützte Bearbeitung - Übersicht

  Lasergestützte Bearbeitung ist eine Hybridmethode, bei der das Werkstück vor dem Abtrag mit einem herkömmlichen Schneidwerkzeug mit einem Hochleistungslaser lokal erwärmt wird. Bei erhöhten Temperaturen nimmt die Streckgrenze eines spröden Materials unter die Bruchfestigkeit ab, wodurch das Materialdeformationsverhalten von spröde zu duktil verändert wird. Auch bei erhöhten Temperaturen nimmt die Streckgrenze von festem, duktilem Material ab, wodurch die Schnittkräfte und der Werkzeugverschleiß verringert und die Oberflächenqualität verbessert werden [6]. Abbildung 1 zeigt eine schematische Darstellung der lasergestützten Bearbeitung.

Lasergestützte Bearbeitung (1)

In den LAM-Experimenten werden hauptsächlich zwei Laserquellen verwendet: CO2-Laser und Nd: YAG-Laser. Letzteres hat eine kürzere Wellenlänge und weist ein besseres Absorptionsvermögen auf. CO2-Laser sind im Vergleich zu Nd: YAG bei den meisten der schwer zu schneidenden Materialien wie Inconel, gehärteten Stahl und Verbundwerkstoffen aufgrund der geringen Absorptionsfähigkeit der Laserenergie weniger günstig [7, 8, 9]. Die Forschung konzentrierte sich größtenteils auf die Vorteile von LAM und befasste sich mit den Herausforderungen der konventionellen Zerspanung. Die Bearbeitungsergebnisse von LAM hängen jedoch sowohl von Bearbeitungsprozessparametern als auch von Laserparametern ab. Die wichtigsten Betriebsparameter für die lasergestützte Bearbeitung sind: Laserleistung, Fleckdurchmesser des Laserstrahls, Schnittgeschwindigkeit, Vorschub und Schnittiefe. Die optimale Einstellung für LAM ist aufgrund der vielen Steuerparameter und ihrer Wechselwirkungen schwierig. Darüber hinaus ist eine statistische Studie, die auf dem Design von Experimenten basiert, erforderlich, um die Auswirkung optimaler LAM-Parameter zu untersuchen, und ihre Interaktionen fehlen in der Veröffentlichung.

  3. Einfluss von Laserparametern und Bearbeitungsparametern auf schwer zu bearbeitende Materialien

  Vor kurzem hat LAM ein wichtiges Forschungsgebiet identifiziert und auf viele Materialien mit hoher Festigkeit und hoher Härte angewendet. Um die maximalen Vorteile von LAM zu realisieren, muss man die Wechselwirkung von Laserprozessparametern auf das unterschiedliche Werkstückmaterial und die optimalen Werte für eine niedrigere Schneidkraft, niedrige Bearbeitungskosten und Oberflächenqualität verstehen [7]. Die Oberflächentemperatur des Werkstücks, die Schnittgeschwindigkeit, die Vorschubgeschwindigkeit, der Tiefenschnitt, der Laserfleckdurchmesser, der Abstand des Laserwerkzeugs und die Brennweite spielen eine wichtige Rolle im LAM-Prozess, um Oberflächenschäden und einen vorzeitigen Ausfall von Schneidwerkzeugen zu vermeiden. In diesem Abschnitt werden die Parameter des Effektlasers zusammen mit den Bearbeitungsparametern für verschiedene schwierig zu schneidende Materialien beschrieben.

  3.1Titanlegierungen

  Titanlegierungen sind aufgrund ihrer überlegenen physikalisch-mechanischen Eigenschaften, wie einem hervorragenden Verhältnis von Festigkeit zu Gewicht, starker Korrosionsbeständigkeit und der Fähigkeit, bei hoher Temperatur ihre hohe Festigkeit beizubehalten, attraktive Materialien in der Luftfahrt-, Automobil-, Biomedizin-, Kern- und Gasturbinenindustrie. [10,11 12]. Diese Eigenschaften zusammen mit niedrigem Elastizitätsmodul, niedriger Wärmeleitfähigkeit, hoher Festigkeit und Härte bei erhöhter Temperatur und chemischer Reaktivität mit Schneidwerkzeugen machen die Bearbeitung dieses Materials extrem schwierig, was zu einer kürzeren Werkzeugstandzeit führt [10]. Niedrigere Schnittgeschwindigkeit und kürzere Standzeit, was zu höheren Bearbeitungskosten für diese Legierungen führt [11]. Es wurden einige Forschungsversuche unternommen, um die Bearbeitbarkeit mittels trockener, kryogener unterstützter Bearbeitung zu analysieren, um die Schnittgeschwindigkeit und die Werkzeugstandzeit zu erhöhen. Studien haben gezeigt, dass die kryogenisch unterstützte spanabhebende Bearbeitung im Vergleich zur Trockenbearbeitung eine wesentliche Verbesserung der Werkzeuglebensdauer bewirkt [12]. Die Kombination von geringem Vorschub / hoher Schnittiefe verbessert die Werkzeugstandzeit um das 6-Fache im Vergleich zu hohem Vorschub / niedriger Schnittiefe bei konstanter Schnittgeschwindigkeit von 125 m / min bei Verwendung von flüssigem Stickstoff als Kühlmittel [13,14]. Aufgrund des beachtlichen Wachstums von Laser wird die spanende Bearbeitung zur Verbesserung der Bearbeitbarkeit von Titan angestrebt [7,8]. Bei höherer Schnittgeschwindigkeit führte LAM zu einer kürzeren Werkzeugstandzeit aufgrund von Diffusionsverschleiß bei einer Materialentfernungstemperatur von 250 ° C im Vergleich zur konventionellen Bearbeitung [15]. LAM profitiert jedoch von dieser Legierung durch Hybridbearbeitung, d. H. LAM in der kryogenen Bearbeitung [15], und berichtet über die maximale Werkzeuglebensdauer in Bezug auf die MRR aufgrund einer niedrigeren Werkzeug-Span-Grenzflächentemperatur und einer geringeren Reibung zwischen dem Schneidwerkzeug und dem Werkstück. Es wurde beobachtet, dass mit TiAlN beschichtete Hartmetall-Schneideinsätze die Werkzeugstandzeit bei der LAM- und Hybridbearbeitung insgesamt reduzieren [15].

Weitere Forschungen wurden zu den Vorteilen unbeschichteter Hartmetall-Schneideinsätze mit kryogenen Kühlmitteln durchgeführt, um die Werkzeugstandzeit und den Verschleißmechanismus beim Drehen von Ti-6Al-4V bei hoher Geschwindigkeit (125 m / min) zu untersuchen. Das Ergebnis zeigt, dass die Bearbeitung mit Kühlmitteln die Standzeit des Werkzeugs im Vergleich zu LAM allein um 235% verbessert, und es wurde festgestellt, dass das Kühlmittel die Adhäsion und den Diffusionsverschleiß unterdrückt, was die Standzeit des Werkzeugs deutlich verbessert [16]. Die Forscher konzentrieren sich jedoch auf das Potenzial von LAM in der industriellen Anwendung durch eine kritische Analyse der Auswirkung des Laserstrahls auf die Schnittkraft und die Schnitttemperatur und führten zu einer signifikanten Verringerung der Schnittkraft (15%) [17]. Es wurde beobachtet, dass mit zunehmender Laserenergie (zwischen 1200 W und 1600 W und einer Laserstrahlfleckgröße von 2 bis 3 mm) eine Verringerung der Schneidkraft um 10% im Schnittgeschwindigkeitsbereich von 25 bis 125 m / min beobachtet wird. min und beobachtete auch eine kürzere Werkzeugstandzeit bei einer Schnittgeschwindigkeit von > 150 m / min. Die Chipmorphologie-Studie zu LAM zeigt, dass die Spanbildung stark von der Schnittgeschwindigkeit und der Laserleistung abhängt [18]. Es wurde beobachtet, dass bei konstanter Laserenergie der Wechsel von Sägezahn zu Endlosspan und zurück zu Sägezahn bei höherer Schnittgeschwindigkeit erfolgt.

Tabelle 1 fasst die neuesten Forschungen zur lasergestützten Bearbeitung von Titanlegierungen zusammen.

  3.2 Nickelbasislegierungen

  Legierungen auf Nickelbasis wie Inconel, Hastelloys, Waspaloys und Udimet sind aufgrund von chemischen und mechanischen Eigenschaften bei erhöhten Temperaturen gegenüber Titanlegierungen in der Luftfahrt- und Nuklearindustrie wie Gasturbinen, Düsentriebwerken und Schubreserven ein attraktiver Werkstoff [10]. Aufgrund der hohen Temperatur in der Schneidzone bei 1200 ° C, chemisch

Tabelle 1 Zusammenfassung der lasergestützten Bearbeitung von Titanlegierungen

Lasergestützte Bearbeitung (2)

Reaktivität mit den meisten Schneidwerkzeugen und Vorhandensein von harten Schleifpartikeln wie TiC, CrC, MoC in der Mikrostruktur, was die Bearbeitung dieser Legierungen erschwert und den Schleifverschleiß fördert. Dies führt zu einer niedrigen Schnittgeschwindigkeit, einer kürzeren Werkzeugstandzeit, einer schlechten Oberflächenqualität und damit zu hohen Bearbeitungskosten [19, 20].

  In den letzten Jahren wurde LAM verwendet, um die Bearbeitbarkeit von Legierungen auf Nickelbasis zu verbessern. Da die Härte von Inconel schnell über 600 ° C bis 700 ° C abfällt, muss die Materialentfernungstemperatur (Tmr) des Werkstückmaterials im Gegensatz zu LAM der Keramik nicht erhöht werden. Aufgrund des geringen Absorptionsvermögens von Metallen wurde in frühen Stadien der Inconel 718 ein Hochleistungslaser eingesetzt [19]. Anderson et al. Berichteten, dass die Absorptionsrate von Inconel 718 durch Graphitklebstoff auf der Oberfläche für CO2-Laser verbessert werden kann und die Ergebnisse belegt sind. Die aufgebrachte Beschichtung kann sich jedoch nicht selbst bei hoher Temperatur halten, und mehrere Lasereinheiten werden gleichzeitig auf der nicht gedrehten Oberfläche und der Fasenoberfläche verwendet, um die Bearbeitbarkeit zu verbessern [20]. Laserenergie hoher Leistung, kleiner Laserstrahldurchmesser, geringere Vorschubgeschwindigkeit und längere Vorheizzeit könnten dazu führen, dass das Werkstück mit Tmr belastet wird [21]. Andererseits hat der Vorschub neben Tmr den höchsten Einfluss auf die spezifische Schneideenergie. Während die Laserenergie die Materialoberfläche auf 540 ° C für Inconel 718 [20] und zwischen 300-400 ° C für Waspaloy [23] erwärmt, nahm der durchschnittliche Flankenverschleiß und der Kerbenverschleiß mit zunehmender Geschwindigkeit von 60 m / min auf 180 m ab / min für Inconel 718 und für Waspaloy.

Die Unversehrtheit der bearbeiteten Oberfläche (Rauheit, Oberflächen- / Untergrundbeschädigung, Restspannung, Mikrohärte), insbesondere die Oberflächenrauheit, wird durch die Verwendung von Keramikeinsätzen in LAM gegenüber der konventionellen Bearbeitung geringfügig verbessert [22]. Eine vergleichende Analyse von Keramik- und Carbid-Einlagen unter Verwendung von LAM wird experimentiert und führte dazu, dass die Lebensdauer der unbeschichteten Carbid-Einsätze im Vergleich zur konventionellen Bearbeitung geringer ist [22]. Weitere Experimente, die mit dem Schneidwerkzeug Sailon durchgeführt wurden, berichteten, dass sich die Oberflächenrauheit des keramischen Werkzeugs um 25% verbesserte, was trotz der vorherigen Untersuchungen im Zusammenhang mit der schlechten Oberflächenqualität zu einem günstigen Ergebnis führte [21]. Darüber hinaus führte das LAM zu einer bemerkenswerten Steigerung der Abtragsrate. Das keramische Werkzeug von Sailon zeigte eine um 800% höhere Abtragsrate und eine um 50% verbesserte Standzeit im Vergleich zur konventionellen Bearbeitung. Tabelle 2 fasst die neuesten Forschungen zur lasergestützten Bearbeitung von Nickelbasislegierungen zusammen.

Tabelle 2 Zusammenfassung der lasergestützten Bearbeitung von Superlegierungen auf Nickelbasis

Lasergestützte Bearbeitung (3)

  3.3Keramik

  Hochentwickelte Strukturkeramiken wie Mullit, Zirkonoxid, Aluminiumoxid und Siliziumnitrid werden aufgrund ihrer Druckeigenschaften als weiteres attraktives Material identifiziert [24,26,27,28]. Aufgrund ihrer geringen Dichte, ihrer überragenden Verschleißfestigkeit und ihrer hohen Temperaturfestigkeit werden diese normalerweise bei der Herstellung kritischer Komponenten in der Automobil- und Luftfahrtindustrie eingesetzt. Die meisten LAM-Untersuchungen in der Vergangenheit wurden wegen ihrer Härte und Sprödigkeit an diesem Material durchgeführt [24, 25]. Es wurde festgestellt, dass das PCBN-Schneidwerkzeug ein längeres Werkzeug aufweist (z. B. 121 min), wenn LAM auf Zirkonoxid bei einer Tmr von 900 ° C bis 1100 ° C [27] und ein Karbideinsatz für LAM auf Aluminiumoxid bei 850 ° C verwendet wurde [ 29] und Mullit (sprich 44 min) [28]. Drei vorherrschende Verschleißmechanismen wie Abrieb, Adhäsion und Diffusion werden dem Werkzeugverschleiß zugeschrieben und hängen stark von der Abtragstemperatur ab [27]. Daher ist es notwendig, die optimale Materialentfernungstemperatur für die längere Werkzeugstandzeit zu finden [26]. Das Finden der optimalen Tmr ist jedoch aufgrund der Komplexität der Einflussparameter und ihrer wechselseitigen Wechselwirkungen schwierig.

  Es wird festgestellt, dass die Schneidkraft und die spezifische Schneckenergie mit zunehmender Oberflächentemperatur mit der Laserenergie abnehmen, wenn das LAM auf Keramik wirkt, jedoch durch den Abstand des Laserwerkzeugs nicht signifikant beeinflusst wird [25,27,28]. Der Einfluss der Schnittgeschwindigkeit auf die Schnittkraft ist unbedeutend, aber ansonsten Vorschubgeschwindigkeit [28,29]. Es zeigt sich, dass das Kraftverhältnis, wie Vorschubkraft / Schneidkraft, bei Zirkonoxid [28] abnimmt und bei höheren Tmr-Werten [29] Mullit [29] resultiert. Dies weist auf eine deutliche Erweichung des Werkstücks in der Nähe der Schneidzone und eine quasi-plastische Verformung hin. Es wird beobachtet, dass die Schnittgeschwindigkeit den größten Einfluss auf die Oberflächenrauigkeit hat, gefolgt von Vorschub und Tiefenschnitt [30].

  Bei der Untersuchung der Chipmorphologie wurde festgestellt, dass die Materialentfernungstemperatur und das Kraftverhältnis (Ff / Fc < 1) bei der Chipbildung im Vergleich zu anderen Parametern eine Schlüsselrolle spielen [25, 26]. Bei der Werkstücktemperatur im Bereich von 1260 ° C bis 1410 ° C konnte Lei [25] auf der Grundlage der REM-Untersuchung der erhaltenen Chips feststellen, dass die plastische Verformung von Siliziumnitrid in der Scherzone durch die erhöhte Beweglichkeit des Stabes fortgesetzt wird. wie Siliciumkörner, was durch eine Verringerung der Viskosität der interkörnigen glasartigen Phase bei der höheren Temperatur erleichtert wird.

Für Mullit entwickelte Patrick einen Doppelrampenlaser-Versuchsaufbau, um den thermischen Bruch des Werkstücks aufgrund niedriger thermischer Diffusivität, Bruchzähigkeit und Zugfestigkeit des porösen Materials im Vergleich zu Siliziumnitrid zu verhindern [28] und in drei verschiedenen Ausführungen zu folgern Mechanismen wie Sprödbruch und halbkontinuierlicher Chip für (Ff / Fc > 1) und Betriebstemperaturfenster von 800 ° C-1000 ° C bis zur kontinuierlichen Spanbildung für (Ff / Fc < 1) und Betriebstemperaturfenster bei Betriebstemperatur größer als 1300 ° C. Dieses Zeichen wird bei LAM auf Zirkonoxid nicht beobachtet [28], jedoch tritt während der Spanbildung eine plastische Verformung zusammen mit einem Sprödbruch auf. Die Oberflächenrauheit ist nicht empfindlich gegenüber der Materialentfernungstemperatur während des LAM von Siliciumnitrid [25], hängt jedoch von der Größe und Verteilung der Siliciumnitridkörner und von Zirkoniumoxid ab [25,27]. Lokale Risse treten in der Wärmeeinflusszone vor den Materialprozessen auf und verbleiben im Untergrund, wenn die Rissdicke größer als die Schnittiefe ist [27]. Daher ist es notwendig, die Materialentfernungstemperatur zu steuern, um während des LAM eine rissfreie Oberfläche zu erzeugen. Tabelle 3 fasst die neuesten Forschungen zur lasergestützten Bearbeitung von Keramiken zusammen.

  3.4Frostlegierungen

  Kohlenstoffarme duktile Stähle, rostfreie Stähle und gehärtete Stähle wurden unter den schwer zerspanbaren Werkstoffen auf Eisenbasis klassifiziert und fanden ihre Anwendung in Automobilen wie Zahnrädern, Kurbelwellen und Motorblöcken [10]. Die Bearbeitung dieser Automobilkomponenten stellt jedoch aufgrund der hohen Härte und Bruchzähigkeit bei der traditionellen Bearbeitungstechnologie ein großes Problem dar [31]. Das Konzept der Hartdrehtechnik wird für diese Stähle bezeichnet, deren Härte über 45 HRC hinausgeht. Durch diese Technik entfallen Sekundärprozesse wie Schleifen und Wärmebehandlung, die bis zu 60-90% der Endkosten des bearbeiteten Produkts ausmachen [33]. Es wurden jedoch experimentelle Untersuchungen mit LAM an AISI D2-Stahl [31], verdichtetem Graphiteisen [32], AISI 4130-Stahl [33], Gusseisen mit hohem Chromweißanteil [34] und XC42-Stahl [35] durchgeführt Reduzierung der gesamten Bearbeitungskosten und Erhöhung der Produktivität durch Ersatz des Schleifprozesses und Hartdrehen.

Tabelle 3 Zusammenfassung der lasergestützten Bearbeitung von Keramik

Lasergestützte Bearbeitung (4)

  Es wird beobachtet, dass der Laserwerkzeugabstand den größten Einfluss auf die Schneidkraft während der Bearbeitung von gehärtetem XC42-Stahl hat als das herkömmliche Schneidverfahren mit der größten Verringerung von 65% für die Radial-, Schneidkraft und 85% für die Vorschubkraft [35 ]. Die Ergebnisse des Experiments bestätigten, dass der Abstand des Laserwerkzeugs ein entscheidender Faktor für den Erfolg der lasergestützten Bearbeitung ist [34]. Dies liegt daran, dass die Temperatur an der Oberfläche mit zunehmendem Abstand zwischen Laserpunkt und Schneidwerkzeug sinkt und mehr Zeit in Anspruch nimmt, um die Wärme in das Werkstück abzuleiten.

  In LAM von AISI D2-Stahl wird nicht nur die Größe der Schubkraft verringert, sondern auch die Amplitudenänderung der Schneidkraft wird reduziert, was auf die stärkere Verringerung der Maschinenvibration zurückzuführen ist. Dies ist auf die längere Dauer des Heizzyklus und die Verteilung des Laserstrahls zurückzuführen [31]. Die Vorwärmtemperatur, wenn LAM von verdichtetem Graphiteisen durch Laserleistung und Vorschubgeschwindigkeit am meisten beeinflusst wird [33]. Es wurde festgestellt, dass mit Hilfe der Laserwärme der Flankenverschleiß und das katastrophale Versagen der Hartmetallwerkzeuge reduziert und die Werkzeuglebensdauer für LAM aus D2-Stahl [31] um bis zu 100% reduziert wird, weil das Werkstück um 300 ° C erweicht wird C-400˚C für die ungeschnittene Spanstärke von 0,05 mm und ein stabiler BUE, der die Schneidkante während des LAM schützt. Die Werkzeugstandzeit bei der Bearbeitung von verdichtetem Graphiteisen wird jedoch erheblich durch die Vorschubgeschwindigkeit beeinflusst. [32] Bei LAM gehärteter Stähle werden Eigenspannungen stärker und die Spannungstiefe wird im Vergleich zum konventionellen Schneiden geringer [33]. Im Gegensatz zu Titanlegierungen ändert sich die Spanmorphologie von Sägezahnspänen zu kontinuierlichen Chips, wenn LAM aus D2-Stahl aufgrund einer höheren Oberflächentemperatur [31]. Die Bildung von Sägezahnspänen bei der Bearbeitung ist eine der Hauptursachen für das Flattern und es wurde festgestellt, dass das Vorwärmen des Werkstücks in LAM zu einer drastischen Verringerung der Amplitudenvibration und des Flatterns führt [31, 32]. Tabelle 4 fasst die neuesten Forschungen zur lasergestützten Bearbeitung von Eisenlegierungen zusammen.

Tabelle 4 Zusammenfassung der lasergestützten Bearbeitung von Eisenlegierungen

Lasergestützte Bearbeitung (5)

  3.5Composite

  Komposite sind in der Natur inhomogen und werden gewöhnlich durch Dispergieren von Partikeln, Fasern und Whiskern in einer Matrix gebildet. Der Einbau von harten Verstärkungspartikeln / -fasern verbessert die Eigenschaften wie Klebstoff, Schleifmittel, Diffusionsverschleißfestigkeit, thermische Eigenschaften, Härte und Steifheit. Die inhärente Herausforderung bei der Bearbeitung dieser Verbundwerkstoffe ist der übermäßige Werkzeugverschleiß und die anschließende Beschädigung des Werkstücks. Schlechte Bearbeitbarkeit ist auf Faserauszug, Delaminierung, ungeschnittene Fasern, hohe Maßabweichung und hohe Oberflächenrauheit zurückzuführen [10].

  Die Erweichung der Al-Matrix durch die Laserenergie, die weicher und plastischer wird, führt zu einer erheblichen Reduzierung der Kraftkomponenten im Vergleich zur konventionellen Bearbeitung. Basierend auf einer mikroskopischen Analyse folgerte Wang [36], dass die erweichte Matrix leicht aus der bearbeiteten Oberfläche herausgedrückt werden kann, während Al2O3-Partikel aus der bearbeiteten Oberfläche gedrückt werden, was zu einer höheren Konzentration (37%) von Al2O3-Partikeln in der Oberfläche führt Schicht erhöhen die Verschleißfestigkeit der bearbeiteten Oberfläche. Dies führte zu einer verbesserten Oberflächengüte und einer längeren Werkzeugstandzeit. Mit LAM wird eine höhere Druckeigenspannung (3-fach als herkömmliche Bearbeitung) gemeldet. Barnes et al. Untersuchten jedoch den Effekt der Warmbearbeitung (200 - 400 ° C) von Al / SiCp / 18P-MMCs und stellten fest, dass sich die Standzeit aufgrund von Kantenanhäufungen bei niedriger Schnittgeschwindigkeit erhöht [37]. Bei einer höheren Werkstücktemperatur weist der Verbundstab jedoch eine kürzere Standzeit als die konventionelle Bearbeitung auf.

  Weitere Forschungen an partikulären MMCs (Al / SiCp / 20) wurden durchgeführt, um die Wirkung der Werkstücktemperatur zusammen mit unterschiedlichen Schnittgeschwindigkeitsbereichen (sowohl bei niedriger als auch bei höherer Schnittgeschwindigkeit) zu untersuchen, und die Ergebnisse zeigen, dass die Oberflächenrauheit (37%) Die Werkzeugstandzeit (40% bei 150-200 m / min im Vergleich zu 57% bei 50-100 m / min) und die Schädigungstiefe hängen von der Schnittgeschwindigkeit im Vergleich zur konventionellen Bearbeitung ab, indem die Oberflächenrauigkeit als 2 μm definiert wird [3]. Die Auswirkung der Werkstücktemperatur auf die Beschädigung der Oberfläche ist aufgrund des kleinen Bereichs von Ft / Fc relativ unabhängig. LAM auf Al / Al2O3 / 60f zeigt jedoch einen beobachtbaren Schaden hinsichtlich des Faserauszugs, der mit zunehmender Materialentfernungstemperatur abnimmt. Die Vorschubgeschwindigkeit hat einen negativen Einfluss auf die Werkzeugstandzeit und die Oberflächenrauheit bei einer Materialentfernungstemperatur von 300 ° C [39]. Tabelle 5 fasst die neuesten Forschungen zur lasergestützten Bearbeitung von Verbundwerkstoffen zusammen.

Tabelle 5 Zusammenfassung der lasergestützten Bearbeitung von Verbundwerkstoffen

Lasergestützte Bearbeitung (6)

  3.6Schneidwerkzeuge für schwer zerspanbare Werkstoffe

  Die Herausforderung bei der Bearbeitung dieser schwer zu verarbeitenden Materialien besteht darin, dass das ausgewählte Schneidwerkzeug den mechanischen und thermischen Belastungen bei hoher Temperatur standhält. Die verschiedenen Arten von Schneidwerkzeugen, Keramik, beschichteten Hartmetalleinsätzen, CBN, PKD, PCBN werden in LAM eingesetzt. PCBN wird für LAM von Siliziumnitrid [25] und Zirkonoxid [27], Karbideinsatz für Aluminiumoxid [29] und Mullit [28] verwendet. Die längere Werkzeugstandzeit wird jedoch bei PCBN im Vergleich zu Karbid bei Zirkonoxid-LAM unter den Testbedingungen beobachtet. Der häufigste Verschleißmechanismus, der bei der lasergestützten Bearbeitung von Zirkonoxid mit PCBN beobachtet wird, ist Abrieb, Diffusion und Adhäsion [27]. Im Vergleich zu Zirkonoxid [27] wird der Abrieb- und Diffusionsverschleiß in LAM aus Siliziumnitrid [25,30] jedoch nicht beobachtet, da dies zu einer geringen Duktilität und thermischen Diffusionsfähigkeit von Zirkonoxid führt. PKD ist für LAM auf Zirkonoxidkeramik nicht geeignet. Basierend auf den Untersuchungen, die an verschiedenen Arten von Schneidwerkzeugen durchgeführt und untersucht wurden, berichteten Ti-6AL-4V [15] und Inconel 718-Legierungen [20], dass mit TiAlN beschichtete Hartmetalleinsätze das am besten geeignete Werkzeug für LAM zur Verbesserung der Oberflächenrauheit sind. Keramikeinsätze gelten als alternatives Werkzeug für die Bearbeitung von Nickelbasislegierungen [10, 22] für eine höhere Werkzeuglebensdauer, sind jedoch aufgrund ihrer chemischen Reaktivität, schlechten Wärmeleitfähigkeit und Zähigkeit nicht für Titanlegierungen geeignet. Hartmetall-Einsätze SPG 422 von Kennametal K68 [31] entweder TiN-beschichtete oder unbeschichtete Schneideinsätze werden zum Schneiden von gehärtetem Stahl und Verbundwerkstoffen verwendet. Bei LAM von Verbundwerkstoffen werden die Hartmetalleinsätze für günstige Ergebnisse in Bezug auf Materialabtragsrate, verbesserte Oberflächenintegrität und längere Werkzeugstandzeit bei höherer Schnittgeschwindigkeit verwendet [38, 39].

4. Ziel zur Optimierung des LAM-Prozesses

  Die Vorteile von LAM gegenüber der konventionellen Zerspanung zogen viele Forschungen zur Verbesserung der Durchführbarkeits- und Zerspanbarkeitseigenschaften von schwer zerspanbarem Material an. Es wurden nur wenige Studien systematisch untersucht, um den optimalen Wert des LAM-Parameters zur Erzielung einer minimalen Schneidkraft, einer angemessen guten MRR und der Auswirkung der Art der Schneidwerkzeugmaterialien auf den Verschleißmechanismus zu wählen. Der optimale Wert der LAM-Parameter hängt jedoch sowohl von Laser- als auch von Bearbeitungsparametern ab. Aufgrund der Komplexität der Einflussparameter und ihrer Wechselwirkungen ist es schwierig, die optimalen Bearbeitungsparameter zu finden. Diese Überprüfung konzentrierte sich darauf, den lasergestützten Bearbeitungsprozess zu charakterisieren, indem ermittelt wurde, wie einzelne Parameter die Bearbeitungsergebnisse beeinflussen. Aufgrund der Komplexität ist ein statisch basiertes Design von Experimenten erforderlich, um die Auswirkung von Laserparametern auf die Bearbeitungsergebnisse und ihre gegenseitigen Wechselwirkungen zu untersuchen, um die optimalen LAM-Parametereinstellungen vorherzusagen. Normalerweise wird die Ausführung eines Bearbeitungsprozesses häufig durch eine Gruppe von Antworten charakterisiert. Wenn mehr als eine Antwort in Betracht kommt, ist es sehr schwierig, die optimale Einstellung auszuwählen, die alle Qualitätsanforderungen gleichzeitig erfüllen kann. Andernfalls kann die Optimierung eines Qualitätsmerkmals zu erheblichen Qualitätsverlusten bei anderen Qualitätsmerkmalen führen, die möglicherweise nicht akzeptiert werden. Daher kann der simultane Optimierungsansatz im LAM-Prozess implementiert werden.

  5. Schlussfolgerung

  In dieser Studie wurde versucht, die lasergestützte Bearbeitung von schwer zu schneidenden Materialien detailliert zu überprüfen. Die Überprüfungsergebnisse werden wie folgt zusammengefasst:

  1. Es ist offensichtlich, dass die lasergestützte Bearbeitung verwendet werden kann, um die Prozesseffizienz von Materialien zu verbessern, die im Vergleich zu herkömmlichen Verfahren schwer zu schneiden sind.

  2. Es ist jedoch noch weitere Forschung auf diesem Gebiet erforderlich, um ein gutes Verständnis des Mechanismus zum Entfernen von Prozessmaterial zu haben und die Prozessparameter auf geeignete Weise auszuwählen.

  3.Simulationsbasierte Modelle müssen entwickelt werden, um die Temperaturverteilung im Material zu analysieren, die zur Verringerung der mechanischen Festigkeit erforderlich ist.

  4.Die Studien sind nur der einzige parametrische Effekt bei der Bearbeitung dieser schwer zerspanbaren Materialien. Die gleichzeitige Beeinflussung von Variationsfaktoren bei der Erzielung günstiger Bearbeitungsstudien wurde jedoch nicht umfassend untersucht.

  5.Für die optimale Auswahl von Prozessparametern wie Strahlgröße, Laserleistung, Schnittparameter wie Schnittgeschwindigkeit, Vorschubgeschwindigkeit, Schnitttiefe und andere Faktoren zur Erreichung der Gesamtproduktivität müssen weitere Untersuchungen durchgeführt werden. Aktuelle Forschungsinteressen umfassen auch die Untersuchung der Auswirkungen des gleichzeitigen Einflusses von Bearbeitungsparametern mit experimentellen und empirischen Methoden.

  6.Die meisten der jüngsten Forschungen zu LAM konzentrierten sich weitgehend auf das lasergestützte Drehen. Andere Bearbeitungsverfahren wie Fräsen, Bohren und Schleifen spielen jedoch eine wichtige Rolle in Produktionssystemen.

Bemerkungen

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