Tijdens het laserverwarmingsproces kan de hoeveelheid warmte die wordt uitgewisseld door thermische straling worden gekwantificeerd met behulp van de volgende vergelijking wanneer een werkstuk met temperatuur T afkoelt in een omgeving met een omgevings-temperatuur Tf. Wanneer de oppervlaktetemperatuur van het werkstuk lager is dan 600 K, is convectieve warmtetransport de dominante methode van warmteafvoer. Bij hogere temperaturen daarentegen wordt thermische straling de belangrijkste mechanisme voor het verliezen van warmte. Bijvoorbeeld, wanneer de temperatuur boven de 1200 K ligt, draagt thermische straling voor ongeveer 85% bij aan de totale afgevoerde warmte. Het transiënte driedimensionale warmtetransportmodel onder laserstraling kan wiskundig worden weergegeven door de vergelijkingen (2.15–2.18).

Het doel van dit onderzoek is om de temperatuurverdeling aan de oppervlakte van Ti–6Al–4V materiaal te simuleren tijdens laserbestraling, waarbij de uitdagende bewerkbaarheid van dit materiaal als representatief kenmerk wordt genomen. Het procesdiagram voor de eindige-elementenanalyse van het oppervlaktetemperatuurveld van een werkstuk onder laserbestraling wordt geïllustreerd in Fig. 2.8. De modelopstelling in COMSOL begint met toegang tot de Model Wizard, waarbij drie-dimensionale ruimtelijke afmetingen worden geselecteerd. Vervolgens wordt de module "Solid Heat Transfer" gekozen binnen het Heat Transfer-gedeelte en wordt er een transiënt onderzoek ingesteld. De laservariabelen, waaronder laservermogen, laserstraalradius en laserscansnelheid, worden ingesteld in de parameterlijst zoals weergegeven in Fig. 2.9.

Bij de selectie van het materiaal, bijvoorbeeld Ti–6Al–4V, is het belangrijk om te verifiëren of de gekozen materiaalparameters voldoen aan de vereiste specificaties. Als er inconsistenties zijn, kunnen aanpassingen worden gemaakt op basis van de geselecteerde materiaaleigenschappen. Materialen zoals Ti–6Al–4V en Inconel 718 vertonen temperatuurafhankelijke variaties in thermische geleidbaarheid en specifieke warmtecapaciteit, zoals te zien in de figuren 2.11 en 2.12. Deze materiaalparameters spelen een cruciale rol in het nauwkeurig beschrijven van de verschillende fenomenen die optreden tijdens het productieproces.

Om het thermische bronmodel op te stellen, wordt de analytische functie toegevoegd en de warmtebronformule ingevoerd. Hierbij wordt de Gaussiaanse oppervlaktetemperatuurverdeling als voorbeeld genomen. Een algemene warmtestroom wordt geïntroduceerd om de warmtebron te representeren, met de bovenkant van het werkstuk geselecteerd als de grens waar de geabsorbeerde laserenergie door het werkstuk als correctieparameter voor warmteaddition moet worden toegevoegd. Bovendien wordt convectieve warmtestroom geïntroduceerd voor alle oppervlakken, behalve de onderste oppervlakte, die thermisch geïsoleerd blijft.

Het model, dat een afmeting heeft van 20 mm × 10 mm × 2 mm (lengte × breedte × hoogte), maakt gebruik van lineaire warmteoverdrachtshexaëdrische elementen voor het opstellen van het mesh. Het mesh wordt verdeeld om zowel de oplossingsnauwkeurigheid als de rekentijd in overweging te nemen. De centrale sectie, die het meest door de laserverwarming wordt beïnvloed, wordt verdeeld met een fijne mesh voor nauwkeurige representatie. De rest van het model heeft een grovere mesh, aangezien hier de temperatuurstijging relatief kleiner is.

Na het toewijzen van materiaaleigenschappen en het toepassen van convectief warmteoverdracht en thermische straling op het werkstuk, wordt een warmtefluxbelading opgelegd aan het verwarmde oppervlak. De initiële temperatuur van het model wordt ingesteld op 20 °C, wat overeenkomt met de kamertemperatuur. De bewegende laserwarmtebron wordt geïmplementeerd in COMSOL software met behulp van een analytische functie, waarbij de beginpositie van de laser, energiedichtheid, snelheid van beweging en Gauss-distributie worden gedefinieerd om een precieze laserwarmtelading op titaniumlegering werkstukken te realiseren.

In de laserbewerkingsprocedure hebben verschillende procesparameters, zoals laservermogen en spotsdiameter, een aanzienlijke invloed op het resultaat van de laserbewerking. Deze parameters hangen voornamelijk samen met de energiedichtheid van de laser. Bij een laservermogen van 500 W, scansnelheid van 40 m/min en spotsdiameter van 0,8 mm, wordt de temperatuurverdeling in het materiaal geïllustreerd in fig. 2.16. Het is duidelijk dat de hoogste temperatuur wordt waargenomen bij het brandpunt van de laserstraal, met een significant temperatuurgradiënt eromheen.

Om de betrouwbaarheid van het eindige-elementensimulatiemodel voor de temperatuurverdeling onder laserbestraling te verifiëren, wordt een vergelijkende analyse uitgevoerd tussen experimentele temperatuurmetingen en simulatie-resultaten. De infrarood-thermometrie methode wordt in dit experiment toegepast, waarbij een infrarood thermische imager met een maximale meetbereik van 1500 °C en systeemnauwkeurigheid van ±2 °C wordt gebruikt. Gezien de dikte van het getest werkstuk zal de warmtetransfer van het oppervlak naar de onderkant enigszins verminderd zijn tijdens laserbestraling, waardoor het gebruik van een infraroodthermometer voor werkstuktesten als haalbaar wordt beschouwd.

De uiteindelijke vergelijkingen tussen experimentele resultaten en numerieke simulaties zullen helpen bij het verbeteren van de nauwkeurigheid van de temperatuurmodellering en bieden belangrijke inzichten voor de toepassing van lasers in de materiaalbewerking.

Hoe de positie van de spuitmond de luchtstroom beïnvloedt in de verspaning

De positionering van de spuitmond in een verspaningsomgeving speelt een cruciale rol in de efficiëntie van koel- en smeerprocessen. Door de luchtstroom, veroorzaakt door de draaiende frees, goed te begrijpen, kan de spuitmond optimaal worden geplaatst om de prestaties van de verspaning te verbeteren. De luchtstroom in het gebied rond de frees creëert verschillende vortexen die de manier waarop koelvloeistof en druppels zich door het werkgebied verspreiden, beïnvloeden.

Luchtbarrières, die de toegang van druppels tot het verspaningsgebied belemmeren, moeten in overweging worden genomen bij het bepalen van de positie van de spuitmond. De spuitmond moet zich binnen deze luchtbarrière bevinden, terwijl tegelijkertijd de invoervortexen moeten worden benut om de vloeistof effectief te transporteren. Dit kan het beste worden bereikt wanneer de spuitmond wordt uitgelijnd met de tangentiële lijnen van de invoervortexen. Tegelijkertijd moet worden gezorgd dat de spuitmond zo geplaatst is dat de retourstromen, die vaak optreden door de wervelingen die van de frees wegsteken, de vloeistofstroom niet verstoort. Het is belangrijk dat de snelheid van de koelvloeistof die uit de spuitmond wordt geperst, de snelheid van de luchtstroom overtreft, en de spuitmond daarom altijd naar het verspaningsgebied gericht moet zijn.

De positionering van de spuitmond in relatie tot de luchtstroom is dus niet alleen afhankelijk van de richting van de luchtstromen, maar ook van de specifieke snelheid en de vortexpatronen in het werkgebied. De simulaties die zijn uitgevoerd, tonen aan dat de nozzle bij de X-Z vlak altijd gericht moet zijn naar het verspaningsgebied, en de nozzlehoek moet zorgvuldig worden gekozen zodat de gecombineerde snelheid van de snijvloeistof en de luchtstroom radiaal is, zoals weergegeven in de simulaties.

Het bestuderen van de luchtstroom door middel van metingen bij verschillende secties van het werkgebied maakt het mogelijk om de positie en dikte van de invoervortexen en retourstromen te bepalen. De analyse van de snelheden in de X-richting bij verschillende secties laat zien waar de luchtstroom naar de frees wordt geleid en waar deze juist wordt afgezogen, wat essentieel is voor het optimaal positioneren van de spuitmond. De metingen tonen aan dat de retourstromen zich concentreren tussen de 70-77 mm van de frees, en dat de dikte van de invoervortexen tussen de 45-62 mm een maximale snelheid bereiken.

De dynamische analyse van de wervelstroom toont aan dat de luchtstroom die door de frees wordt gegenereerd, complex is. De snelheid en radius van de vortexen die door de draaiende frees worden gecreëerd, zijn afhankelijk van de geometrie van het gereedschap. De rotatie van de frees zorgt ervoor dat de lucht in de buurt van de frees meedraait en hierdoor een wervelstroom ontstaat. De parameters van deze wervelstroom, zoals de straalsnelheid en de straal van de vortex, zijn van cruciaal belang voor het begrijpen van de luchtstroomverhoudingen en de effectiviteit van de koelvloeistofspuitmond.

De inductiesnelheid, geassocieerd met de draaiende beweging van de frees, kan worden gemodelleerd door middel van de Rankine-vortexmodel, wat essentieel is voor het begrijpen van de interactie tussen de frees en de luchtstroom. Dit model helpt de relatie tussen druk en snelheid in de wervelstroom te beschrijven, wat essentieel is voor het verbeteren van de prestaties van de verspaning en het optimaliseren van de koelvloeistoftoepassing.

De effectiviteit van de koelvloeistof is afhankelijk van de plaatsing van de spuitmond, die niet alleen de luchtstroom, maar ook de fysieke eigenschappen van de snijvloeistof moet overwinnen om de optimale koel- en smeerefficiëntie te bereiken. Door rekening te houden met de dynamiek van luchtwervels en de rol van vortexen kan de prestaties van het verspaningsproces aanzienlijk worden verbeterd.

Hoe beïnvloedt de minimale hoeveelheid smering (MQL) en ultrageluidassistentie de snijprestaties bij titaniumbewerking?

De spanningsverdeling op het gereedschap bij de beginfase van het snijden richt zich voornamelijk op de snijkant en de flank van het gereedschap, met minimale snijspanning in het gereedschapsneusgebied. Wanneer de MQL-nozzle onder een hoek van 0° wordt geplaatst, resulteert dit in 4,3% lagere gereedschapsstress vergeleken met een hoek van 5,5°, en 7,6% lagere stress in vergelijking met een hoek van 11°. Het kiezen voor een kleinere nozzlehoek kan de gereedschapsstress verminderen en de levensduur van het gereedschap verbeteren. Bij het draaien van titanium is de gereedschapslevensduur bij het gebruik van UVMQL ongeveer 2,6 keer langer dan bij droog bewerken. Tijdens het UVMQL-bewerken is het glijdende gebied op de snijkant van het gereedschap nauwelijks zichtbaar, en het stick–slip-gebied vertoont een verminderde breedte. In het samengestelde proces wordt de gereedschapspancontactlengte verminderd. Dit komt overeen met de bevindingen van een andere studie die aantoont dat bij UVMQL-bewerken een dunne smeringsfilm op het gereedschap wordt gevormd, die voorkomt dat het schroot direct in contact komt met de snijkant en de hechting van het schroot aan het werkstuk vermindert. Dit zorgt voor een afname van de contactlengte tussen gereedschap en schroot van 1,01 naar 0,51 mm.

Bij droog snijden heeft de onderdrukking van de ultrageluidtrillingscontactlengte een minimaal effect. Tijdens droog bewerken veroorzaakt de voortdurende wrijving op het gereedschap-werkstukinterface, gecombineerd met de lage warmtegeleiding, een concentratie van warmte op dit punt. Bovendien kan de hoge temperatuurreactiviteit van titanium met het gereedschapsmateriaal leiden tot chemische slijtage in het contactgebied, wat mogelijk kan leiden tot gereedschapsfalen. Bij het draaien van Ti–6Al–4V met behulp van tangentiële UVAT is het niet voldoende om hechting volledig te voorkomen, vooral bij conventioneel draaien met continue contacten. De combinatie van UVAT en MQL remt de hechting van het materiaal en de slijtage aanzienlijk, dankzij de verbeterde koeling en smering van MQL tijdens het onderbroken snijden. Bij UVAT varieert de slijtage van gereedschappen van laag naar hoog in de volgorde van LCO2, MQL en flood snijden. De gemiddelde flankslijtage werd respectievelijk met ongeveer 70%, 54% en 35% verminderd in vergelijking met de droge snijomstandigheden.

Wat betreft het gereedschap wordt er bij droog bewerken duidelijk een hechtings- en glijzone waargenomen. Dit betekent dat het contactgebied zowel een volledig metalen contactgebied als een slijtagegebied omvat. In tegenstelling tot droog bewerken, is de glijzone op de snijkant van het gereedschap tijdens het UVMQL-bewerken niet duidelijk, en de breedte van de hechtings- en glijzones is klein.

De oppervlaktekwaliteit wordt aanzienlijk verbeterd in vergelijking met droog bewerken, dankzij de verminderde wrijvingscoëfficiënt in de snijzone en de verminderde gereedschapsverslijting door de UVMQL-technologie. In het geval van Ti–6Al–4V met tangentiële UVAT, vergeleken Airao et al. de ruwheidswaarden onder verschillende smeringsomstandigheden. In vergelijking met droog snijden, flood- en MQL-omstandigheden werden de oppervlaktestructuurwaarden voor conventioneel draaien onder LCO2 gemiddeld met respectievelijk 30%, 25% en 12% verminderd. Voor UVAT onder LCO2 waren de verminderingen 43%, 24% en 22%. Dit duidt erop dat MQL beter presteert dan conventioneel flood snijden, maar achterblijft bij LCO2.

In een andere studie onder droge snijsituaties, bij trillingsfrequenties van 20 en 30 kHz, werden de ruwheidswaarden respectievelijk met 5,84–25,80% en 20,46–44,35% verlaagd in vergelijking met conventioneel snijden. Bij minimale smeringsomstandigheden nam de ruwheid toe met respectievelijk 27,11–39,86% en 47,70–49%. Hogere trillingsfrequenties leiden tot een betere oppervlaktekwaliteit. De toepassing van ultrageluidtrillingen resulteerde in een verbeterd oppervlakteafwerking, ongeacht de smeringsomstandigheden. UVMQL-technologie verbetert de oppervlakte-integriteit en vermindert de oppervlakte-ruwheid door verhoogde smering en verminderde gereedschapsverslijting. Bovendien bevordert UVAT de vorming van compressieve restspanningen, wat de vermoeiingslevensduur van het werkstuk verbetert.

Volgens de onderzoeksresultaten van de oppervlakte-topografie van het werkstuk onder verschillende smeringsomstandigheden bij een snijsnelheid van 35,2 m/min, resulteerde ernstige flankslijtage in duidelijke krassen op het werkstukoppervlak bij droog snijden. In tegenstelling hiermee is het werkstukoppervlak na UVAT-bewerking gladder, en het voeden patroon is consistenter. Verminderde gereedschapsverslijting en de invloed van hoge trillingsfrequenties zijn de belangrijkste factoren die bijdragen aan dit effect. Het hoge-frequentie relatieve beweging van het gereedschapoppervlak genereert microstructuren op het werkstukoppervlak. Dit fenomeen is gemodelleerd en experimenteel bevestigd met behulp van plastic materialen.

Verder onderzoek is nodig met betrekking tot het gebruik van oppervlakte-microstructuren en de invloed van smeringsmethoden op oppervlaktekenmerken, inclusief elastoplastisch gedrag, microscopische schade en hechting. Het gebruik van wavelet-analyse om hoge-frequentiesignalen van het werkstukoppervlak te extraheren voor de analyse van microscopische defecten en hechting zou de efficiëntie van het kwantitatief evalueren van de oppervlaktekwaliteit van werkstukken kunnen verbeteren.

Hoe de semantische-mappingfunctie de relatie tussen taal en de werkelijkheid verklaart
Wat zijn de eigenschappen van een tensorveld en hoe beïnvloeden commutatoren het gedrag van vectorvelden?
Hoe kan ongecontroleerde domeinaanpassing de registratie van verschillende beeldmodaliteiten in luchtvaartsystemen verbeteren?
Hoe Data Management de Wetenschappelijke Onderzoek naar de Zeebodem Ondersteunt
Hoe Het Media-Ecosysteem Het Democratische Proces Beïnvloedt: De Verhouding Tussen Politiek, Persvrijheid en Publieke Opinie