Hoe laser-geassisteerde bewerkingen de verwerkbaarheid van TiAl-legeringen verbeteren

Laser-geassisteerde bewerkingen (LAM) hebben de laatste jaren aanzienlijke aandacht gekregen als een effectieve manier om de bewerkbaarheid van moeilijk te snijden metalen, zoals TiAl-legeringen, te verbeteren. Deze techniek maakt gebruik van lasertechnologie om het materiaal lokaal op te warmen, wat resulteert in een tijdelijke verslapping van de materiaaleigenschappen, en maakt zo het snijden gemakkelijker. Bij deze processen wordt een laserstraal gebruikt om het oppervlak van het werkstuk te verhitten, waarna het materiaal in de verzachte toestand wordt verwijderd. Dit leidt tot een verhoogde temperatuur in de snijzone, wat de snijweerstand vermindert en de efficiëntie van het snijproces aanzienlijk verbetert.

In recente studies is aangetoond dat laser-geassisteerde bewerkingen kunnen helpen om de gereedschapslevensduur te verlengen door de belasting op het gereedschap te verlagen. Dit is vooral het geval bij het gebruik van conventionele gereedschappen zoals carbide, waarvan de levensduur kan worden verbeterd door de lagere snijkrachten. Echter, wanneer diamantgereedschappen worden gebruikt, kan de verhoogde temperatuur in de snijzone leiden tot versnelde slijtage van het gereedschap. Daarom wordt in sommige onderzoeken laser-geïnduceerde oxidatie gebruikt om de bewerkbaarheid van TiAl-legeringen te verbeteren, zonder de negatieve effecten van hoge temperaturen op diamantgereedschappen.

De toepassing van lasers voor het verbeteren van de bewerkbaarheid van materialen is echter niet zonder beperkingen. Laser-geassisteerde modificatieprocessen zijn niet toepasbaar op alle materialen en structuren. Er is verder onderzoek nodig om de effecten van laser-geassisteerde bewerkingen op de prestaties van snijgereedschappen volledig te begrijpen, vooral met betrekking tot de invloed van de temperatuur in de snijzone. Het ontwikkelen van een gedetailleerd model dat de procesparameters koppelt aan de temperatuur in de snijzone, kan dit probleem helpen oplossen.

Een ander belangrijk aspect van laser-geassisteerde bewerkingen is de coördinatie tussen de laserstraalscan en de voederbeweging van het gereedschap. Dit is een relatief onverkend gebied, aangezien de meeste studies zich alleen richten op de temperatuur in het lasergestraalde gebied en de resultaten na de bewerking. Wanneer de snijparameters veranderen, verandert ook de temperatuur in de snijzone, wat kan leiden tot suboptimale resultaten. Dit probleem kan worden verholpen door de afstand tussen de laserstraal en het gereedschap aan te passen, evenals de lasercantraadpaden en strategieën te optimaliseren.

In de meeste huidige studies wordt gebruik gemaakt van een Gaussian laserstraalverdeling, wat leidt tot een niet-uniforme energieverdeling in het werkstuk. Dit kan de temperatuurregeling bemoeilijken en de stabiliteit van het snijproces verminderen. Toekomstig onderzoek kan zich richten op technieken voor het herschikken van de laserstraal, bijvoorbeeld door het omvormen van de Gaussian-straling naar een vlakke topstraal, wat een uniformere energieverdeling zou opleveren. Dit zou de processtabiliteit verbeteren en de invloed van de laser op niet-bewerkt materiaal verminderen.

Daarnaast zijn de huidige laser-geassisteerde bewerkingstechnieken voornamelijk geschikt voor eenrichtingssnijden en kunnen ze moeilijkheden opleveren bij het bewerken van complexe oppervlakken. Daarom is de ontwikkeling van geavanceerde laser-geassisteerde bewerkingssystemen essentieel om te voldoen aan de verwerkingsbehoeften van complexe vormen en oppervlakken. Het integreren van lasers met machinegereedschappen en het ontwikkelen van intelligente besturingssystemen zijn de richting waarin de technologie zich moet ontwikkelen om in de toekomst aan de vereisten van flexibele productie en complexe bewerkingsprocessen te voldoen.

Laser-geassisteerde bewerking biedt aanzienlijke voordelen voor de lucht- en ruimtevaartindustrie en andere sectoren die werken met moeilijk te bewerken materialen. Het vermogen om de snijkrachten te verlagen en de oppervlaktekwaliteit te verbeteren, zorgt voor een efficiënter productieproces. Toch blijven er uitdagingen, zoals het beheer van de temperatuur in de snijzone en de ontwikkeling van systemen die geschikt zijn voor complexe werkstukken. Verdere innovaties in deze technologie kunnen leiden tot aanzienlijke vooruitgangen in de efficiëntie en kwaliteit van bewerkingen op moeilijk te bewerken materialen.

Hoe nanovloeistoffen de temperatuur tijdens slijpen beïnvloeden

Bij het slijpen van titaniumlegeringen zoals TC4, werden verschillende experimenten uitgevoerd waarbij het effect van nanovloeistoffen op de slijptemperatuur werd onderzocht. De resultaten toonden aan dat de temperatuur op het werkstukoppervlak significant varieerde afhankelijk van het type nanovloeistof en de toegepaste slijptechniek. Bij droog slijpen werd de hoogste temperatuur gemeten, namelijk 190,4 °C. Wanneer er echter gebruik werd gemaakt van micro-lubricatie met pure palmolie, daalde de slijptemperatuur aanzienlijk. De toepassing van longitudinale torsionele ultrageluidslijping in combinatie met palmolie als micro-lubricant leidde tot een verdere daling van de slijptemperatuur. Dit komt door het effect van “secundaire verneveling”, waarbij de nanovloeistof onder ultrageluidsvibraties beter atomiseert, waardoor de koelcapaciteit verbetert.

Het effect van de nanovloeistofstroomsnelheid op de slijptemperatuur werd ook onderzocht. Het bleek dat de slijptemperatuur afnam naarmate de stroom van de Al2O3-nanovloeistof toenam, tot een snelheid van 100 ml/h. Bij hogere stroomsnelheden, boven de 100 ml/h, stabiliseerde de temperatuurdaling zich, wat wijst op een verzadigingseffect van de nanovloeistof in de slijpzone. Dit betekent dat er een optimaal bereik is voor de nanovloeistofstroom, waarbij te hoge stroomsnelheden niet noodzakelijkerwijs leiden tot verdere verbeteringen in de temperatuurbeheersing.

De invloed van de slijpparameters op de slijptemperatuur onder NMQL (Nano-MQL) omstandigheden werd ook geanalyseerd. Veranderingen in de slijpdiepte, het toerental van de slijp-as en de voeding snelheid hadden een significante impact op de slijptemperatuur. De resultaten gaven aan dat een grotere slijpdiepte resulteerde in een hogere slijptemperatuur, aangezien er meer wrijvingskracht en slijpenergie vrijkwam, wat de warmteontwikkeling verhoogde. Het toerental van de slijpas had ook invloed, aangezien een hogere snelheid leidde tot een grotere wrijvingskracht en een hogere temperatuur, vooral bij snelheden boven de 4000 rpm. De voeding snelheid had eveneens invloed op de temperatuur, aangezien een hogere voeding het moeilijker maakt voor de nanovloeistof om de slijpzone effectief te bereiken, waardoor de koelcapaciteit afneemt.

Naast het kiezen van de juiste nanovloeistof en de juiste slijptechniek, is het belangrijk om te begrijpen hoe de diverse slijpinstellingen en vloeistofparameters de algehele slijpresta's beïnvloeden. De effectieve integratie van ultrageluidstechnologie kan een doorslaggevende factor zijn bij het verbeteren van de koelcapaciteit, aangezien het de vloeistofverdeling optimaliseert en zo de prestaties van de nanovloeistof in de slijpzone verbetert. Daarom moet de keuze van de slijpparameters altijd in balans zijn met de specifieke eigenschappen van de gebruikte nanovloeistof en de doelstellingen van het slijpproces.