Procesos de mecanizado no convencionales:AJM, EBM, LBM y PAM | Fabricación

En este artículo discutiremos sobre los procesos de mecanizado no convencionales:- 1. Mecanizado por chorro abrasivo (AJM) 2. Mecanizado por haz de electrones (EBM) 3. Mecanizado por rayo láser (LBM) y 4. Mecanizado por arco de plasma (PAM). Y también conozca:- Proceso de mecanizado no convencional, características del proceso de mecanizado no convencional y clasificaciones de procesos de mecanizado no convencional.

Mecanizado por chorro abrasivo (AJM) :

En AJM, la eliminación de material se produce debido al impacto de las finas partículas abrasivas. Estas partículas se mueven con una corriente de aire (o gas) de alta velocidad. La Figura 6.1 muestra el proceso junto con algunos parámetros típicos del proceso. Las partículas abrasivas tienen típicamente un diámetro de 0,025 mm y el aire se descarga a una presión de varias atmósferas.

Mecánica de A JM:

Cuando una partícula abrasiva incide en la superficie de trabajo a alta velocidad, el impacto provoca una pequeña fractura frágil y el siguiente aire (o gas) se lleva la partícula de la pieza de trabajo pequeña desprendida (partícula de desgaste) . Esto se muestra en las Figs. 6.2ay 6.2b. Por tanto, es obvio que el proceso es más adecuado cuando el material de trabajo es quebradizo y frágil. Está disponible un modelo para estimar la tasa de remoción de material (tm). El mrr debido al desconchado de la superficie de trabajo por el impacto de las partículas abrasivas se expresa como -

donde Z es el número de partículas abrasivas que impactan por unidad de tiempo, d es el diámetro medio de los granos abrasivos, v es la velocidad de los granos abrasivos, ρ es la densidad del material abrasivo, H _w es la dureza del material de trabajo (la tensión de flujo) y X es una constante.

Parámetros de proceso de A JM :

Las características del proceso se pueden evaluar juzgando:(i) el mrr, (ii) la geometría del corte, (iii) la rugosidad de la superficie producida y (iv) la tasa de desgaste de la boquilla.

Los principales parámetros que controlan estas cantidades son:

(i) El abrasivo (composición, resistencia, tamaño y caudal másico),

(ii) El gas (composición, presión y velocidad),

(iii) La boquilla (geometría, material, distancia e inclinación a la superficie de trabajo).

Ahora discutiremos cada uno de estos parámetros y también sus efectos:

i. El abrasivo:

Se utilizan principalmente dos tipos de abrasivos, a saber, - (i) óxido de aluminio y (ii) carburo de silicio. Sin embargo, en la mayoría de las aplicaciones se prefieren generalmente los abrasivos de óxido de aluminio. La forma de estos granos no es muy importante, pero, para una acción de desgaste satisfactoria en la superficie de trabajo, estos deben tener bordes afilados. Al ₂ O ₃ y polvos de SiC con un diámetro de grano nominal de 10-50 µm están disponibles. El mejor corte se logra cuando el diámetro nominal está entre 15 μm y 20 μm.

No se recomienda la reutilización del polvo abrasivo ya que:(i) la capacidad de corte disminuye después de la primera aplicación y (ii) la contaminación obstruye los pequeños orificios de la boquilla. El caudal másico de las partículas abrasivas depende de la presión y el caudal del gas. Cuando aumenta la fracción de masa de los abrasivos en el chorro (proporción de mezcla), la mrr aumenta inicialmente, pero con un aumento adicional en la proporción de mezcla, alcanza un máximo y luego cae (Fig. 6.3a). Cuando aumenta el caudal másico del abrasivo, el mrr también aumenta (figura 6.3b).

ii. El gas:

Las unidades AJM normalmente funcionan a una presión de 0,2 N / mm ² a 1 N / mm ² . La composición del gas afecta al mrr de manera indirecta ya que la relación velocidad-presión depende de esta composición. Obviamente, una alta velocidad provoca una alta mrr incluso si el caudal másico del abrasivo se mantiene constante.

iii. La boquilla:

La boquilla es uno de los elementos más importantes que controlan las características del proceso. Dado que está en contacto continuo con los granos abrasivos que fluyen a alta velocidad, el material debe ser muy duro para evitar un desgaste significativo. Normalmente se utiliza WC o zafiro. Para un funcionamiento normal, el área de la sección transversal del orificio está entre 0,05 mm ² y 0,2 mm ² .

La forma del orificio puede ser circular o rectangular. La vida media de una boquilla es muy difícil de determinar. Una boquilla de WC dura entre 12 y 30 horas, mientras que una boquilla de zafiro dura aproximadamente 300 horas.

Uno de los factores más importantes en AJM es la distancia entre la superficie de trabajo y la punta de la boquilla, normalmente llamada Distancia de la punta de la boquilla (NTD). La NTD afecta no solo al mrr de la superficie de trabajo, sino también a la forma y tamaño de la cavidad producida. La figura 6.5 muestra el efecto de las ETD. Cuando aumenta la NTD, la velocidad de las partículas abrasivas que inciden en la superficie de trabajo aumenta debido a su aceleración después de que salen de la boquilla.

Esto, a su vez, aumenta el mrr. Con un aumento adicional de la NTD, la velocidad se reduce debido al arrastre de la atmósfera que inicialmente frena el aumento de la mrr y finalmente lo disminuye. La figura 6.6 muestra cómo afecta la ETD al sr.

Las máquinas de chorro abrasivo son fabricadas y comercializadas por un solo fabricante (a saber, S.S. White Co., Nueva York) con el nombre de “Airbrasive”.

Características de AJM:

Mecanizado por haz de electrones (EBM):

Básicamente, el mecanizado por haz de electrones también es un proceso térmico. Aquí, una corriente de electrones de alta velocidad incide en la superficie de trabajo, por lo que la energía cinética, transferida al material de trabajo, produce un calentamiento intenso. Dependiendo de la intensidad del calor así generado, el material puede fundirse o vaporizarse. El proceso de calentamiento por un haz de electrones puede, dependiendo de la intensidad, usarse para recocido, soldadura o remoción de metal.

Se pueden obtener velocidades muy altas utilizando suficiente voltaje; por ejemplo, un voltaje de aceleración de 150 000 V puede producir una velocidad electrónica de 228 478 km / seg. Dado que un haz de electrones se puede enfocar a un punto con un diámetro de 10-200 μm, la densidad de potencia puede llegar hasta 6500 mil millones de W / mm ² . Tal densidad de potencia puede vaporizar cualquier sustancia inmediatamente. Por lo tanto, EBM no es más que un proceso de vaporización controlado con mucha precisión. EBM es un proceso adecuado para perforar agujeros finos y cortar ranuras estrechas.

Se pueden perforar agujeros con un diámetro de 25-125μm casi instantáneamente en láminas con espesores de hasta 1,25 mm. La ranura más estrecha que se puede cortar con EBM tiene un ancho de 25 μm. Además, las bobinas de deflexión magnética pueden maniobrar un haz de electrones, lo que facilita el mecanizado de contornos complejos. Sin embargo, para evitar una colisión de los electrones en aceleración con las moléculas de aire, el proceso debe realizarse en vacío (aproximadamente 10 ^-5 mm Hg); esto hace que el proceso no sea adecuado para piezas de trabajo muy grandes.

Para indicar la amplia gama de aplicaciones del haz de electrones, en la figura 6.69 se muestra un gráfico de la densidad de potencia frente al diámetro del punto caliente. Es obvio que el rango del haz de electrones es el más grande. Por eso, el haz de electrones se utiliza no solo para el mecanizado sino también para los demás procesos térmicos.

Los electrones se emiten desde el cátodo (un filamento de tungsteno caliente), la copa de rejilla da forma al haz y los electrones se aceleran debido a una gran diferencia de potencial entre el cátodo y el ánodo. El haz se enfoca con la ayuda de lentes electromagnéticos. Las bobinas deflectoras se utilizan para controlar el movimiento del haz de cualquier manera requerida.

En el caso de taladrar agujeros, el diámetro del agujero depende del diámetro de la viga y de la densidad de energía. Cuando el diámetro del orificio requerido es mayor que el diámetro de la viga, la viga se desvía en una trayectoria circular con el radio adecuado. La mayoría de los pozos perforados con EBM se caracterizan por un pequeño cráter en el lado de la obra que incide la viga. Los orificios perforados también poseen un pequeño ahusamiento (2 ° -4 °) cuando el espesor de la hoja es superior a 0,1 mm. Puede obtenerse alguna idea sobre las características de rendimiento de la perforación de orificios con EBM en la Tabla 6.5.

Al cortar una ranura, la velocidad de mecanizado normalmente depende de la velocidad de eliminación de material, es decir, la sección transversal de la ranura que se va a cortar. Los lados de una ranura en una hoja con un grosor de hasta 0,1 mm son casi paralelos. Se observa una conicidad de 1 ° a 2 ° en una ranura cortada en una placa más gruesa. Se produce una pequeña cantidad de salpicaduras de material en el lado incidente del rayo. La tabla 6.6 da una idea de las capacidades de corte de ranuras del haz de electrones.

Se encuentra que el requerimiento de energía es aproximadamente proporcional a la tasa de remoción de metal. Entonces, P ≈ CQ, siendo C la constante de proporcionalidad. La tabla 6.7 da los valores aproximados de C para diferentes materiales de trabajo.

Es posible una estimación muy aproximada de la velocidad de mecanizado para las condiciones dadas, utilizando la Tabla 6.7.

Mecánica de EBM:

Los electrones son las partículas elementales estables más pequeñas con una masa de 9,109 x 10 ^-31 kg y una carga negativa de 1,602 x 10 ^-19 culombio. Cuando un electrón se acelera a través de una diferencia de potencial de V voltios, el cambio en la energía cinética se puede expresar como 1 / 2m _e (u ² –U ₀ ² ) eV, donde m _e es la masa del electrón, u es la velocidad final y u ₀ es la velocidad inicial. Si asumimos que la velocidad inicial de los electrones emisores es insignificante, la expresión final de la velocidad del electrón u en km / s es -

u ≈ 600√V (6,67)

Cuando un electrón de movimiento rápido incide en la superficie de un material, penetra a través de una capa sin ser molestado. Luego, comienza a chocar con las moléculas y, finalmente, se detiene (figura 6.71). La capa a través de la cual el electrón penetra sin ser molestado se llama capa transparente.

Solo cuando el electrón comienza a chocar con los átomos de la red, comienza a ceder su energía cinética y se genera calor. Entonces, está claro que la generación de calor tiene lugar dentro del material, es decir, debajo de la piel transparente. El rango total al que puede penetrar el electrón (δ) depende de la energía cinética, es decir, del voltaje de aceleración V. Se ha encontrado que -

Donde δ es el rango en mm, V es el voltaje de aceleración en voltios yp es la densidad del material en kg / mm ³ .

Efectos de la MBE en los materiales:

Dado que el mecanizado mediante un haz de electrones se logra sin elevar la temperatura del material circundante (excepto una capa extremadamente delgada), no hay efecto sobre el material de trabajo. Debido a la densidad de energía extremadamente alta, el material de trabajo a una distancia de 25-50 μm del lugar de mecanizado permanece a temperatura ambiente. Aparte de esto, la posibilidad de contaminación del trabajo también es menor ya que el proceso se realiza en vacío.

Resumen de las características de EBM:

Mecanizado por haz láser (LBM) :

Como un rayo de electrones de alta velocidad, un rayo láser también es capaz de producir una densidad de potencia muy alta. El láser es un haz de radiación electromagnética altamente coherente (en el espacio y el tiempo) con una longitud de onda que varía de 0,1 μm a 70 μm. Sin embargo, el requisito de potencia para una operación de mecanizado restringe el rango de longitud de onda efectivamente utilizable a 0.4-0.6μm.

Debido al hecho de que los rayos de un rayo láser son perfectamente paralelos y monocromáticos, se puede enfocar a un diámetro muy pequeño y puede producir una densidad de potencia tan alta como 10 ⁷ W / mm ² . Para desarrollar una alta potencia, normalmente se utiliza un láser de rubí pulsado. El CO ₂ continuo -N ₂ El láser también se ha utilizado con éxito en operaciones de mecanizado.

Se coloca un tubo de flash de xenón enrollado alrededor de la varilla de rubí y la superficie interna de las paredes del contenedor se hace altamente reflectante para que la luz máxima incida sobre la varilla de rubí para la operación de bombeo. El condensador se carga y se aplica un voltaje muy alto al electrodo de activación para iniciar el destello. El rayo láser emitido se enfoca mediante un sistema de lentes y el rayo enfocado se encuentra con la superficie de trabajo, eliminando una pequeña porción del material por vaporización y ablación de alta velocidad.

Una fracción muy pequeña del metal fundido se vaporiza tan rápidamente que se genera un impulso mecánico sustancial, arrojando una gran parte del metal líquido. Dado que la energía liberada por el tubo de flash es mucho mayor que la energía emitida por el cabezal láser en forma de rayo láser, el sistema debe enfriarse adecuadamente.

La eficiencia del proceso LBM es muy baja, alrededor del 0.3-0.5%. La energía de salida típica de un láser es de 20 J con una duración de pulso de 1 milisegundo. La potencia máxima alcanza un valor de 20.000 W. La divergencia del haz es de alrededor de 2 x 10 ^-3 rad y, utilizando una lente con una distancia focal de 25 mm, el diámetro del punto es de aproximadamente 50 μm.

Al igual que el rayo de electrones, el rayo láser también se utiliza para perforar microagujeros y cortar ranuras muy estrechas. Los orificios de hasta 250 μm de diámetro se pueden perforar fácilmente con un láser. La precisión dimensional es de alrededor de ± 0,025 mm. Cuando el espesor de la pieza de trabajo es superior a 0,25 mm, se nota una conicidad de 0,05 mm por mm.

Mecánica de LBM:

El mecanizado por rayo láser se logra a través de las siguientes fases:

(i) Interacción del rayo láser con el material de trabajo,

(ii) Conducción de calor y aumento de temperatura, y

Un análisis preciso de todo el proceso es difícil y está fuera del alcance de este texto. Sin embargo, discutiremos ciertos aspectos simples de importancia fundamental, considerando solo el aumento de temperatura del material de trabajo hasta el punto de fusión; La vaporización y la ablación no se tendrán en cuenta en nuestro análisis.

(i) Interacción del rayo láser con el trabajo:

La aplicación de un rayo láser en el mecanizado depende de la interacción termoóptica entre el rayo y el material de trabajo sólido. Por lo tanto, es obvio que la superficie de trabajo no debe reflejar demasiada energía del haz incidente. La figura 6.74 muestra un rayo láser que cae sobre una superficie sólida. La luz absorbida se propaga al medio y su energía se transfiere gradualmente a los átomos de la red en forma de calor. La absorción es descrita por la ley de Lambert como -

I (Z) =I (0) e ^{- μz}

Donde I (z) denota la intensidad de la luz a una profundidad z (Fig. 6.74) y μ es el coeficiente de absorción. La mayor parte de la energía se absorbe en una capa muy fina en la superficie (grosor típico de 0,01 μm). Por tanto, es bastante razonable suponer que la energía luminosa absorbida se convierte en calor en la propia superficie y que el rayo láser puede considerarse equivalente a un flujo de calor.

(ii) Conducción de calor y aumento de temperatura:

La re-radiación de la superficie a una temperatura de 3000 K es del orden de solo 600 W / cm ² y es insignificante en comparación con el flujo de entrada 10 ⁵ -10 ⁷ W / cm ² . Para que nuestro análisis sea unidimensional, se supone que el diámetro del punto del haz es mayor que la profundidad de penetración. Además, se considera que las propiedades térmicas, por ejemplo, la conductividad y el calor específico, no se ven afectadas por el cambio de temperatura.

Entonces, el problema de conducción de calor equivalente está representado por un flujo de calor uniforme H (t) en la superficie (figura 6.75) de un cuerpo semi-infinito. La ecuación de conducción de calor para la región z> 0 es -

Penetración de agujeros en estado estable :

La determinación de las dimensiones de la parte fundida del material es bastante complicada. Sin embargo, si el pozo (o agujero) fundido es profundo y estrecho, la mayor parte de la conducción de calor desde el agujero fundido tiene lugar a través de las paredes laterales. Cuando la tasa de entrada de calor es igual a la tasa de pérdida de calor por la parte fundida, mantiene su forma y tamaño. En tal condición de estado estable, la tasa de pérdida de calor por la parte fundida (Fig. 6.77) viene dada por -

Por experiencia. se ha encontrado que D ≈ 55d. Entonces, In (D / d) puede tomarse aproximadamente como 4, y al equiparar la tasa de entrada de calor con la tasa de pérdida de calor, la relación que obtenemos es -

Cuando la intensidad del haz es muy alta (> 10 ⁷ W / cm ² ), el calentamiento es muy rápido y el mecanismo que acabamos de dar no es válido. El rayo incidente calienta la superficie rápidamente y la vaporiza. Así, la superficie de la obra donde cae la viga retrocede a medida que el material se vaporiza. Entonces, si v es la velocidad con la que retrocede la superficie, la tasa de entrada de calor requerida para vaporizar el material (igual a la tasa de entrada de calor del haz incidente) es-

H ≈ vL, (6,82)

Donde L es la cantidad de energía para vaporizar una unidad de volumen del material.

Resumen de las características de LBM:

Mecanizado de arco de plasma (PAM) :

Un plasma es un gas ionizado a alta temperatura. El mecanizado por arco de plasma se realiza con un chorro de alta velocidad de un plasma de alta temperatura. El chorro de plasma calienta la pieza de trabajo (donde el chorro incide sobre ella), provocando una fusión rápida. El PAM se puede utilizar en todos los materiales conductores de electricidad, incluidos los resistentes al corte de gas oxicombustible. Este proceso se utiliza ampliamente para el corte de perfiles de placas de acero inoxidable, monel y superaleaciones.

Se genera un plasma sometiendo un gas que fluye al bombardeo de electrones de un arco. Para ello, se establece el arco entre el electrodo y la boquilla anódica; el gas se ve obligado a fluir a través de este arco.

Los electrones de alta velocidad del arco chocan con las moléculas de gas, provocando una disociación de las moléculas diatómicas o átomos en iones y electrones, lo que resulta en un aumento sustancial de la conductividad del gas que ahora se encuentra en estado del plasma. Los electrones libres, posteriormente, se aceleran y provocan más ionización y calentamiento. Posteriormente, se produce un aumento adicional de temperatura cuando los iones y electrones libres se recombinan en átomos o cuando los átomos se recombinan en moléculas, ya que estos son procesos exotérmicos.

Entonces, se genera un plasma de alta temperatura que se fuerza a través de la boquilla en forma de chorro. La mecánica de eliminación de material se basa en:(i) calentamiento y fusión, y (ii) eliminación del metal fundido mediante la acción de voladura del chorro de plasma.

Para obtener más detalles, consulte los manuales y libros de referencia estándar. Aquí enumeraremos las características básicas para familiarizar al lector con el proceso.

Resumen de las características de PAM: