Bij het vergelijken van de temperatuursverdeling van Ti–6Al–4V en Inconel 718 onder identieke laserverwerkingsparameters, blijkt dat Ti–6Al–4V een hogere maximale temperatuur vertoont dan Inconel 718, met een meer geconcentreerd hoogtemperatuurgebied. Dit verschil kan worden toegeschreven aan variaties in fysische eigenschappen zoals absorptiesnelheid, thermische geleidbaarheid, specifieke warmtecapaciteit, enzovoorts, tussen deze twee materialen.

Absorptiesnelheid
De absorptiesnelheid α is een cruciale parameter die de hoeveelheid laserenergie bepaalt die door het titaniumlegeringsmateriaal wordt geabsorbeerd. Het bepalen van deze snelheid is echter moeilijk, gezien de invloed van meerdere factoren. De belangrijkste parameters die de absorptiesnelheid beïnvloeden, zijn onder meer de golflengte λ van de laser, de invalshoek θ van de laserstraal, het vermogen P van de laser, de oppervlaktekwaliteit van het werkstuk en de temperatuur T van het werkstuk.

De golflengte van de laser speelt een belangrijke rol, aangezien de absorptiesnelheid voor de meeste metalen afneemt naarmate de golflengte van de laser toeneemt. Dit betekent dat een kortere golflengte zorgt voor betere opwarmeffecten. De invalshoek van de laser is eveneens van belang. Bij een kleinere invalshoek dan 40° verandert de absorptie nauwelijks, maar bij de Brewsterhoek, waar het invallende licht loodrecht op het gereflecteerde licht staat, wordt de maximale absorptie bereikt. Daarentegen neemt de absorptie snel af wanneer de invalshoek dichter bij 90° komt. Een verhoging van het laservermogen leidt vaak tot een afname van de absorptie, zoals blijkt uit een studie van C40 staal, waarin de absorptie afnam van 23% naar 19% wanneer het CO2-laservermogen werd verhoogd van 1 naar 3 kW.

Specifieke Warmtecapaciteit en Thermische Geleidbaarheid
In termen van specifieke warmtecapaciteit vertoont Ti–6Al–4V hogere waarden bij lagere temperaturen, maar neemt deze snel af boven 800 °C. Dit resulteert in lagere energiebehoeften voor verwarming van het materiaal. In tegenstelling hiermee vertoont Inconel 718 een lagere specifieke warmtecapaciteit bij lage temperaturen en heeft het minder energie nodig voor verwarming. Echter, boven de 100 °C neemt de specifieke warmtecapaciteit van Inconel 718 sterk toe en kan het oplopen tot 3500 J/kg°C, wat de energievraag voor verdere temperatuurverhoging aanzienlijk vergroot. Dit vormt een uitdaging om hogere temperaturen te bereiken in vergelijking met Ti–6Al–4V bij dezelfde lasertechnische parameters.

Wat betreft thermische geleidbaarheid heeft Ti–6Al–4V lagere waarden dan Inconel 718 bij temperaturen onder de 1200 °C, wat de warmteoverdracht beperkt. Deze beperking verhindert de efficiënte afvoer van warmte naar andere delen van het werkstuk die niet direct aan de laser worden blootgesteld. Dit leidt tot een meer geconcentreerd hoog-temperatuurgebied op het oppervlak van Ti–6Al–4V werkstukken en verhoogde maximale temperaturen. Een grotere laservlekdiameter leidt bijvoorbeeld bij Ti–6Al–4V tot een snelle afname van de maximale temperatuur op het oppervlak, terwijl de hoogste temperatuur bij Inconel 718 slechts langzaam daalt. Dit verschil is te wijten aan de verschillen in thermische geleidbaarheid van de twee materialen.

Lasergestuurd Draaien (Laser-Assisted Turning)
Lasergestuurd draaien (LAT) is een effectieve methode voor het bewerken van moeilijk te snijden legeringen in de luchtvaartindustrie. Bij LAT wordt het werkstuk lokaal voorverwarmd en verzwakt door de gefocuste laserstraal, wat de bewerkingsprestaties van het snijgebied verandert via de interactie tussen de laser en het materiaal, voordat het materiaal wordt verwijderd met behulp van een conventioneel snijgereedschap. De laserstraal, gepositioneerd boven het werkstuk, verhit de oppervlakte van het materiaal, waarna het gereedschap de bewerking uitvoert. Dit proces zorgt voor een aanzienlijke vermindering van de slijtage van het gereedschap en de snijkrachten.

De temperatuur in de snijzone speelt een cruciale rol in de bewerkingsprestaties van materialen. Bij veel moeilijk te snijden legeringen neemt de mechanische sterkte en hardheid van het materiaal af naarmate de temperatuur stijgt, vooral tussen de 500 en 900 °C. Het voorverwarmen van het materiaal verlaagt de sterkte en hardheid in de snijzone, waardoor de snijkracht afneemt en de slijtage van het gereedschap wordt verminderd. Dit resulteert in een verbeterde bewerkingskwaliteit, zowel wat betreft precisie als efficiëntie.

Verbeteringen in de Snijkwaliteit en Prestaties

Dumitrescu et al. toonden aan dat door de toepassing van laserondersteuning de oppervlakte van AISI D2 gereedschapsstaal werd verzacht, waardoor het betere rekbaarheid vertoonde bij verhoogde temperaturen. Dit veranderde de chipvorming van een zaagtandvorm naar een continue chip. Voor bros materiaal, zoals siliciumnitriden keramiek, wordt na verhitting de opbrengstgrens van het materiaal verlaagd tot onder de breuksterkte, wat resulteert in viscoplastische stroming in plaats van bros breken. Dit vermindert de snijkracht, verhoogt de duurzaamheid van het gereedschap, vermindert trillingen en oppervlaktelast, en verbetert de kwaliteit van het bewerkte oppervlak.

Bij LAT bepaalt de afstand tussen de gefocuste laserstraal en het snijgereedschap de tijd tussen de laserverwarming en de bewerking, wat van invloed is op de temperatuursverdeling in de snijzone. Er is vastgesteld dat een grotere vermindering van de snijkracht wordt bereikt wanneer de laservlek dichter bij het snijgereedschap is gepositioneerd. In de meeste LAT-systemen is de incidenthoek van de laserstraal normaal op het werkstukoppervlak gericht, hoewel sommige systemen proberen de laserstraal normaal op de afschuifoppervlakte van het werkstuk te richten, wat het verminderen van snijkrachten in verschillende richtingen verder bevordert.

Belangrijke Overwegingen

Naast de genoemde thermische en fysieke eigenschappen, is het belangrijk te begrijpen hoe deze eigenschappen interactief werken in de context van lasermachining. De lasertechnologie zelf biedt veel voordelen, maar de toepassing ervan vereist een gedegen begrip van de specifieke materiaaleigenschappen. Vooral voor toepassingen in de luchtvaartindustrie, waar precisie en efficiëntie cruciaal zijn, kunnen de verschillen in de absorptie, warmtecapaciteit en thermische geleidbaarheid van de materialen het verschil maken tussen succes en falen. De keuze van laserverwerkingsparameters zoals golflengte, vermogen, en de incidenthoek moet zorgvuldig worden afgestemd op het specifieke materiaal om de gewenste resultaten te behalen.

Wat zijn de effecten van ultrasone vibratie op de kraskracht bij SiCp/Al composieten?

De toepassing van ultrasone vibratie bij het krassen van materialen is een veelbelovende methode om de krasweerstand en de slijtvastheid van diverse metalen te verbeteren. In dit onderzoek worden de effecten van ultrasone amplitude, kras snelheid en het volumepercentage van het materiaal op de kraskracht van SiCp/Al-composieten onderzocht. Het gebruik van PCD-messen van Zhejiang Wenling Weimeng Diamond Cutting Tools Co., Ltd. heeft als doel de mechanische eigenschappen van de gereedschappen te analyseren en de invloed van verschillende bewerkingsparameters te verkennen. De resultaten van het experiment worden vergeleken met zowel traditionele kraskrachten als modellen die zijn voorspeld door MATLAB-simulaties.

Bij het uitvoeren van het experiment werd het effect van de kras snelheid op de kraskracht geanalyseerd. De resultaten tonen aan dat bij hogere kras snelheden de kraskracht significant afneemt, omdat de verhoogde snelheid de wrijving vermindert en daardoor de benodigde krachten om het materiaal te bewerken verlaagd worden. Dit resulteert in een lager energieverbruik en een vermindering van de slijtage aan het gereedschap. Bij een kras snelheid van 400 mm/min was de kraskracht het laagst, wat verder werd bevestigd door de toepassing van de ultrasone vibratie. De impact van de ultrasone vibratie verlaagt de wrijvingskracht door het gereedschap over een langere snede te laten bewegen, wat resulteert in een lagere kraskracht per tijdseenheid.

Naast de kras snelheid speelt ook de ultrasone amplitude een cruciale rol in het verminderen van de kraskracht. Experimentele gegevens tonen aan dat bij een ultrasone amplitude van 2 μm de kraskracht met ongeveer 35,8% afneemt voor een SiCp/Al-composiet met een volumepercentage van 15%. Bij een volumepercentage van 45% SiC-parels in het composiet was de afname in kraskracht zelfs 76,7%. Dit effect wordt versterkt door de specifieke eigenschappen van het materiaal, waarbij de hoge frequentie-impact van de ultrasone vibratie schade toebrengt aan de SiC-deeltjes, waardoor deze gemakkelijker kunnen loskomen van de Al-matrix. De verminderde kraskracht bij hogere volumefracties van SiC kan worden toegeschreven aan het feit dat de kraskracht bij deze materialen voornamelijk voortkomt uit de verwijdering van SiC-deeltjes, terwijl de kraskracht bij lagere volumefracties van SiCp/Al-composieten vooral wordt gedreven door de plastische vervorming van de Al-matrix.

De resultaten geven aan dat de toepassing van ultrasone vibratie de werking van de werkhoek van het gereedschap kan veranderen, afhankelijk van de richting van de vibratie ten opzichte van de krasbeweging. Wanneer de vibratierichting van het werkstuk tegenovergesteld is aan de richting van de krasbeweging, zal de werkhoek van het gereedschap toenemen, waardoor de scherpe hoek het effect van de kraskracht verder vermindert. Dit wordt verder bevestigd door de experimentele resultaten, die tonen dat de kraskracht bij een volumepercentage van 30% SiCp/Al met 1,5 keer toeneemt voor UVAS-krassen, terwijl deze bij 45% SiCp/Al 1,7 keer toeneemt in vergelijking met OS-krassen. Dit suggereert dat de toepassing van ultrasone vibratie vooral effectief is bij hogere volumefracties van SiC, waarbij de SiC-deeltjes makkelijker kunnen worden verwijderd en de werkstukken minder snel zullen deformaties vertonen.

De bevindingen van dit onderzoek laten ook zien dat de theoretische modellen, gesimuleerd met behulp van MATLAB, goed overeenkomen met de experimentele waarden van de kraskracht. Het errorpercentage tussen de voorspelde waarde en de werkelijke metingen blijft binnen een acceptabele marge van 33%, afhankelijk van de kras snelheid en de amplitude van de ultrasone vibratie. Dit geeft aan dat de toegepaste modellen betrouwbaar zijn en goed het effect van ultrasone vibratie op de kraskracht kunnen voorspellen.

Daarnaast toont de analyse van verschillende amplituden aan dat de krachten die tijdens het krassen optreden, bij hogere amplituden fluctueren, maar uiteindelijk stabiliseren. Dit gedrag staat in contrast met traditionele theorieën die veronderstellen dat de kracht toeneemt naarmate de krasdiepte toeneemt. Dit fenomenen kan worden toegeschreven aan de interactie tussen de ultrasonische frequentie-impact en de fysieke eigenschappen van het materiaal.

Naast het technische proces is het belangrijk om te begrijpen dat de combinatie van de juiste parameters zoals ultrasone amplitude, kras snelheid en volumepercentage van het composietmateriaal kan leiden tot aanzienlijke verbeteringen in de efficiëntie van het krassen. Deze bevindingen dragen bij aan de optimalisatie van de productiviteit en de slijtvastheid van gereedschappen, vooral bij het verwerken van complexe composieten zoals SiCp/Al, die in veel industriële toepassingen worden gebruikt.

Het is essentieel te erkennen dat de effectieve toepassing van ultrasone vibratie niet alleen afhangt van het materiaal en de gereedschapskeuze, maar ook van de zorgvuldige afstemming van experimentele instellingen, zoals de kras snelheid en amplitude. Terwijl lagere snelheden vaak voor een hogere kraskracht zorgen, kan het benutten van hogere amplituden op strategische wijze helpen om de kracht te reduceren en de levensduur van zowel gereedschappen als werkstukken te verlengen.

Hoe laser-ultrasonische geassisteerde bewerking de kwaliteit en levensduur van snijgereedschappen verbetert

Laser-ultrasonische geassisteerde bewerking is een geavanceerde techniek die gebruik maakt van zowel laserstraling als ultrasone trillingen om de bewerkingsprestaties te verbeteren, vooral bij het bewerken van broze materialen. De basis van deze methode is het gebruik van laserstraling om het materiaal te verhitten en het bros te verzachten, waarna ultrasone trillingen worden toegepast om de verwerkte lagen effectief te verwijderen. Het resultaat is een aanzienlijke vermindering van de snijkrachten, een verbetering van de bewerkingsstabiliteit en een verbetering van de afwerkingskwaliteit.

De uitdaging bij het bewerken van broze materialen is het hoge risico van materiaalbreuk tijdens het snijden. Laserstraling kan dit probleem gedeeltelijk oplossen door het materiaal te verhitten tot een punt waarop het minder bros is. Dit verlaagt de snijweerstand en maakt het bewerkingsproces efficiënter. Echter, de hoge temperaturen die nodig zijn om het materiaal te verhitten kunnen de levensduur van het gereedschap verkorten door de thermische effecten in de snijzone. Hier komt de rol van ultrasone trillingen in het spel: deze trillingen verminderen de contactkrachten tussen het gereedschap en het werkstuk, wat niet alleen de snijkrachten verder verlaagt, maar ook de thermische belasting op het gereedschap vermindert. Dit draagt bij aan een aanzienlijke verlenging van de levensduur van het snijgereedschap.

In experimenten uitgevoerd door Kim et al. [5, 6] werd de invloed van laser- en ultrasone trillingstechnieken op de bewerking van micro-SiC/AA2124-composieten onderzocht. De techniek bestond uit het eerst verhitten van het materiaal met laserstraling, gevolgd door het verwijderen van het verzachte materiaal door middel van ultrasone trillingen. Het resultaat was een aanzienlijke verlaging van de temperatuur, minder defecten en verminderde snijkracht, wat leidde tot een verbeterde bewerkingskwaliteit. Bij de optimalisatie van het laservermogen werd duidelijk dat dit essentieel is om de gewenste oppervlaktestructuur en verbeterde bewerkingssnelheden te bereiken.

Een andere studie van Peng et al. [7] stelde een nieuwe bewerkingstechniek voor die gebruik maakte van een combinatie van ultrasone elliptische trillingen en laserverwarming bij het draaien van 70% SiCp/Al-composieten. De resultaten gaven aan dat deze hybride methode de snijkrachten aanzienlijk verminderde, de capaciteit voor plastisch materiaalverwijdering verbeterde en schade aan het oppervlak en onderliggende lagen minimaliseerde. De combinatie van deze technieken maakt het mogelijk om met grotere precisie en efficiëntie te werken, vooral bij de verwerking van harde en broze materialen.

Daarnaast heeft Jiao et al. [8] de werking van polycrystalline diamantgereedschappen onderzocht tijdens het draaien van tungstencarbiden, waarbij ze zowel ultrasone trillingen als laserverwarming toepasten. Dit leidde tot een opmerkelijke reductie van de snijkrachten met maar liefst 67,5% en een verbetering van de gereedschapslevensduur met 95,3% in vergelijking met conventioneel draaien. Het gebruik van laser- en ultrasone technologieën zorgt dus niet alleen voor een hogere productiviteit, maar ook voor een verlenging van de levensduur van gereedschappen, wat cruciaal is voor economische en duurzame productieprocessen.

De combinatie van ultrasone trillingen en laserverwarming vormt een veelbelovende benadering voor het verbeteren van de bewerkingsprocessen, vooral in toepassingen waar precisie en materiaalbehoud van groot belang zijn. De afstemming van parameters zoals laservermogen, trillingsfrequentie en snijsnelheid is essentieel voor het behalen van de gewenste bewerkingsresultaten. De nauwkeurige controle over de thermische effecten en de mechanische belasting die op het gereedschap wordt uitgeoefend, is van cruciaal belang om de prestaties van het gereedschap te optimaliseren en de bewerkingskosten te verlagen.

Er zijn echter nog enkele belangrijke overwegingen die niet mogen worden genegeerd. Ten eerste vereist het gebruik van dergelijke geavanceerde technologieën zoals laserstraling en ultrasone trillingen gespecialiseerde apparatuur en expertise. Dit kan de initiële kosten van de bewerkingssystemen verhogen, wat voor sommige bedrijven een belemmering kan zijn. Bovendien, hoewel de voordelen van deze technieken duidelijk zijn, kunnen ze in sommige gevallen leiden tot nieuwe uitdagingen, zoals de controle over de vibraties en het handhaven van de juiste bewerkingsomstandigheden. Het is ook belangrijk te begrijpen dat niet alle materialen geschikt zijn voor deze technologieën, en dat de effectiviteit van de bewerking sterk afhangt van het type materiaal en de specifieke procesomstandigheden.

Hoe RESTful API's de communicatie tussen systemen verbeteren
Hoe bereid je verfijnde gerechten met schaal- en schelpdieren: technieken en smaakbalans
Hoe Werken Membranen in Reactoren voor Waterzuivering en Biotechnologie?
Wat Zijn de Belangrijke Functies van Vitamines in Ons Lichaam?