전통적인 가공 공정:AJM, EBM, LBM 및 PAM | 제조

이 기사에서는 비 전통적인 가공 공정에 대해 논의할 것입니다.- 1. AJM(Abrasive Jet Machining) 2. EBM(Electron Beam Machining) 3. LBM(Laser Beam Machining) 및 4. 플라즈마 아크 가공(PAM). 또한 다음과 같은 내용도 학습합니다.- 비전통적 가공 공정, 비전통적 가공 공정의 특성 및 비전통적 가공 공정의 분류

연마 제트 가공(AJM) :

AJM에서는 미세한 연마 입자의 충돌로 인해 재료 제거가 발생합니다. 이 입자들은 고속의 공기(또는 가스) 흐름과 함께 움직입니다. 그림 6.1은 프로세스의 몇 가지 일반적인 매개변수와 함께 프로세스를 보여줍니다. 연마 입자는 일반적으로 직경이 0.025mm이고 공기는 몇 기압의 압력에서 방출됩니다.

A의 역학 JM:

연마 입자가 작업 표면에 고속으로 충돌할 때 충격은 작은 취성 파단을 일으키고 다음 공기(또는 가스)는 제거된 작은 작업 조각 입자(마모 입자)를 운반합니다. . 이것은 도 5에 도시되어 있다. 6.2a 및 6.2b. 따라서 작업 재료가 부서지기 쉽고 부서지기 쉬운 경우 공정이 더 적합하다는 것이 분명합니다. 재료 제거율(mrr)을 추정하기 위한 모델을 사용할 수 있습니다. 충돌하는 연마 입자에 의한 작업 표면의 치핑으로 인한 mrr은 다음과 같이 표현됩니다. –

여기서 Z는 단위 시간당 충돌하는 연마 입자의 수, d는 연마 입자의 평균 직경, v는 연마 입자의 속도, ρ는 연마 재료의 밀도, H_w 는 피삭재의 경도(유동응력)이고 X는 상수입니다.

공정 매개변수 A JM :

공정 특성은 (i) mrr, (ii) 절단 형상, (iii) 생성된 표면의 거칠기 및 (iv) 노즐 마모.

이러한 수량을 제어하는 ​​주요 매개변수는 다음과 같습니다.

(i) 연마재(구성, 강도, 크기 및 질량 유량),

(ii) 기체(구성, 압력 및 속도),

(iii) 노즐(형상, 재료, 작업 표면으로부터의 거리 및 경사).

이제 각 매개변수와 그 효과에 대해 논의하겠습니다.

i. 연마제:

주로 두 가지 유형의 연마제가 사용됩니다. 즉, – (i) 산화알루미늄 및 (ii) 탄화규소. 그러나 일반적으로 산화알루미늄 연마제가 대부분의 응용 분야에서 선호됩니다. 이러한 입자의 모양은 그다지 중요하지 않지만 작업 표면에서 만족스러운 마모 작용을 위해서는 날카로운 모서리가 있어야 합니다. 알₂ O₃ 및 10-50 μm의 공칭 입자 직경을 갖는 SiC 분말을 사용할 수 있습니다. 공칭 직경이 15μm에서 20μm 사이일 때 최상의 절단이 이루어집니다.

연마 분말의 재사용은 권장되지 않습니다. – (i) 첫 번째 적용 후 절단 능력이 감소하고 (ii) 오염으로 인해 노즐의 작은 구멍이 막힙니다. 연마 입자의 질량 유량은 가스의 압력과 유량에 따라 달라집니다. 제트 내 연마재의 질량 분율(혼합비)이 증가하면 mrr이 처음에는 증가하지만 혼합비가 추가로 증가하면 최대에 도달한 다음 감소합니다(그림 6.3a). 연마재의 질량 유량이 증가하면 mrr도 증가합니다(그림 6.3b).

ii. 가스:

AJM 장치는 일반적으로 0.2N/mm의 압력에서 작동합니다. ² ~ 1N/mm ² . 가스의 조성은 속도-압력 관계가 이 조성에 의존하기 때문에 간접적인 방식으로 mrr에 영향을 미칩니다. 고속은 연마재의 질량 유량이 일정하게 유지되더라도 분명히 높은 mrr을 유발합니다.

iii. 노즐:

노즐은 공정 특성을 제어하는 ​​가장 중요한 요소 중 하나입니다. 고속으로 흐르는 연마 입자와 지속적으로 접촉하기 때문에 재료는 심각한 마모를 피하기 위해 매우 단단해야 합니다. 일반적으로 WC 또는 사파이어가 사용됩니다. 정상 작동의 경우 오리피스의 단면적은 0.05mm ² 사이입니다. 및 0.2mm ² .

오리피스의 모양은 원형 또는 직사각형일 수 있습니다. 노즐의 평균 수명은 확인하기가 매우 어렵습니다. WC 노즐은 12시간에서 30시간 동안 지속되는 반면 사파이어 노즐은 약 300시간 동안 지속됩니다.

AJM에서 가장 중요한 요소 중 하나는 일반적으로 NTD(노즐 팁 거리)라고 하는 작업 표면과 노즐 팁 사이의 거리입니다. NTD는 작업 표면의 mrr뿐만 아니라 생성된 캐비티의 모양과 크기에도 영향을 미칩니다. 그림 6.5는 NTD의 효과를 보여줍니다. NTD가 증가하면 작업 표면에 충돌하는 연마 입자의 속도는 노즐을 떠난 후 가속으로 인해 증가합니다.

이것은 차례로 mrr을 증가시킵니다. NTD가 추가로 증가하면 초기에 mrr의 증가를 확인하고 마지막으로 감소시키는 대기의 항력으로 인해 속도가 감소합니다. 그림 6.6은 NTD가 mrr에 미치는 영향을 보여줍니다.

연마 제트 기계는 "Airbrasive"라는 이름으로 단일 제조업체(즉, S.S. White Co., New York)에서 제조 및 판매합니다.

특성 AJM:

전자빔 가공(EBM):

기본적으로 전자빔 가공도 열처리입니다. 여기에서 고속 전자의 흐름이 작업 표면에 충돌하여 작업 재료로 전달된 운동 에너지가 강렬한 가열을 생성합니다. 이렇게 생성된 열의 강도에 따라 재료가 녹거나 기화될 수 있습니다. 전자빔에 의한 가열 과정은 강도에 따라 어닐링, 용접 또는 금속 제거에 사용될 수 있습니다.

충분한 전압을 사용하면 매우 높은 속도를 얻을 수 있습니다. 예를 들어, 150,000V의 가속 전압은 228,478km/sec의 전자 속도를 생성할 수 있습니다. 전자빔은 직경이 10-200μm인 지점에 집속될 수 있으므로 전력 밀도는 최대 6500 billion W/mm ² 까지 올라갈 수 있습니다. . 이러한 전력 밀도는 모든 물질을 즉시 기화시킬 수 있습니다. 따라서 EBM은 매우 정밀하게 제어되는 기화 과정에 불과합니다. EBM은 미세한 구멍을 뚫고 좁은 슬롯을 절단하는 데 적합한 공정입니다.

25-125μm 직경의 구멍을 최대 1.25mm 두께의 시트에 거의 즉시 드릴링할 수 있습니다. EBM으로 절단할 수 있는 가장 좁은 슬롯의 너비는 25μm입니다. 또한 전자빔은 자기 편향 코일로 조작할 수 있어 복잡한 윤곽을 쉽게 가공할 수 있습니다. 그러나 가속 전자와 공기 분자의 충돌을 피하기 위해 공정은 진공(약 10 ^-5 mmHg); 이로 인해 프로세스가 매우 큰 작업에 적합하지 않습니다.

전자빔의 광범위한 적용을 나타내기 위해 전력 밀도 대 핫스팟 직경의 플롯이 그림 6.69에 나와 있습니다. 전자빔의 범위가 가장 크다는 것은 자명하다. 이것이 전자빔이 기계가공뿐만 아니라 다른 열처리에도 사용되는 이유입니다.

전자는 음극(뜨거운 텅스텐 필라멘트)에서 방출되고 빔은 그리드 컵에 의해 형성되며 음극과 양극 사이의 큰 전위차로 인해 전자가 가속됩니다. 빔은 전자기 렌즈의 도움으로 집중됩니다. 편향 코일은 필요한 방식으로 빔 이동을 제어하는 ​​데 사용됩니다.

드릴 구멍의 경우 구멍 직경은 빔 직경과 에너지 밀도에 따라 달라집니다. 필요한 구멍의 직경이 빔 직경보다 크면 빔이 적절한 반경의 원형 경로로 편향됩니다. EBM으로 천공된 대부분의 구멍은 작업의 빔 입사면에 작은 분화구가 있는 것이 특징입니다. 천공된 구멍은 시트 두께가 0.1mm 이상일 때 약간의 테이퍼(2°-4°)도 있습니다. EBM을 사용한 드릴링 구멍의 성능 특성에 대한 몇 가지 아이디어는 표 6.5에서 얻을 수 있습니다.

슬롯을 절단하는 동안 가공 속도는 일반적으로 재료 제거 속도, 즉 절단할 슬롯의 단면에 따라 달라집니다. 두께가 최대 0.1mm인 시트의 슬롯 측면은 거의 평행합니다. 더 두꺼운 판에서 절단된 슬롯에서 1°~2°의 테이퍼가 관찰됩니다. 빔 입사측에 소량의 재료 튀김이 발생합니다. 표 6.6은 전자빔의 슬롯 절단 능력에 대한 몇 가지 아이디어를 제공합니다.

전력 요구 사항은 금속 제거 속도에 대략 비례하는 것으로 밝혀졌습니다. 따라서 P ≈ CQ, C는 비례 상수입니다. 표 6.7은 다양한 작업 재료에 대한 대략적인 C 값을 제공합니다.

표 6.7을 사용하여 주어진 조건에 대한 가공 속도의 매우 대략적인 추정이 가능합니다.

EBM의 역학:

전자는 질량이 9.109 x 10 ^-31 인 가장 작은 안정적인 기본 입자입니다. kg 및 음전하 1.602 x 10 ^-19 쿨롱. 전자가 V볼트의 전위차를 통해 가속될 때 운동 에너지의 변화는 1/2m_e 로 표현될 수 있습니다 (u ² –u₀ ² ) eV, 여기서 m_e 는 전자 질량, u는 최종 속도, u₀ 다이 초기 속도입니다. 방출 전자의 초기 속도를 무시할 수 있다고 가정하면 전자 속도 u(km/sec)의 최종 표현은 –

유 ≈ 600√V (6.67)

빠르게 움직이는 전자가 물질 표면에 충돌할 때 방해받지 않고 층을 관통합니다. 그런 다음 분자와 충돌하기 시작하고 궁극적으로 정지합니다(그림 6.71). 전자가 방해받지 않고 통과하는 층을 투명층이라고 합니다.

전자가 격자 원자와 충돌하기 시작할 때만 전자는 운동 에너지를 포기하기 시작하고 열이 생성됩니다. 따라서 열의 발생은 재료 내부, 즉 투명한 피부 아래에서 발생하는 것이 분명합니다. 전자가 통과할 수 있는 전체 범위(δ)는 운동 에너지, 즉 가속 전압 V에 따라 달라집니다. 다음이 발견되었습니다. –

여기서 δ는 범위(mm), V는 가속 전압(볼트), p는 재료 밀도(kg/mm ³ )입니다. .

자료에 대한 EBM의 영향:

전자빔에 의한 가공은 주변재의 온도상승 없이 이루어지기 때문에(극박막 제외) 피가공물에 영향이 없습니다. 극도로 높은 에너지 밀도로 인해 가공 지점에서 25-50μm 떨어진 작업 재료는 실온에서 유지됩니다. 이 외에도 공정이 진공에서 이루어지기 때문에 작업이 오염될 가능성도 적습니다.

EBM 특성 요약:

레이저 빔 가공(LBM) :

고속 전자 빔과 마찬가지로 레이저 빔도 매우 높은 출력 밀도를 생성할 수 있습니다. 레이저는 0.1μm에서 70μm까지 다양한 파장을 가진 전자기 복사의 고간섭성(공간 및 시간) 빔입니다. 그러나 가공 작업을 위한 전력 요구 사항은 효과적으로 사용 가능한 파장 범위를 0.4-0.6μm로 제한합니다.

레이저 빔의 광선이 완벽하게 평행하고 단색이기 때문에 매우 작은 직경에 초점을 맞출 수 있고 10의 높은 출력 밀도를 생성할 수 있습니다. ⁷ W/mm ² . 고출력을 개발하기 위해 일반적으로 펄스 루비 레이저가 사용됩니다. 연속 CO₂ -N₂ 레이저는 가공 작업에서도 성공적으로 사용되었습니다.

코일 크세논 플래시 튜브를 루비 로드 주위에 배치하고 용기 벽의 내부 표면을 고반사 처리하여 펌핑 작업을 위해 루비 로드에 최대 빛이 비추도록 합니다. 커패시터가 충전되고 플래시를 시작하기 위해 트리거 전극에 매우 높은 전압이 적용됩니다. 방출된 레이저 빔은 렌즈 시스템에 의해 집속되고 집속된 빔은 작업 표면과 만나 기화 및 고속 제거에 의해 재료의 작은 부분을 제거합니다.

용융 금속의 아주 작은 부분이 너무 빨리 기화되어 상당한 기계적 충격이 발생하여 액체 금속의 많은 부분이 배출됩니다. 플래시 튜브에서 방출되는 에너지가 레이저 빔 형태의 레이저 헤드에서 방출되는 에너지보다 훨씬 크기 때문에 시스템을 적절하게 냉각해야 합니다.

LBM 프로세스의 효율성은 약 0.3-0.5%로 매우 낮습니다. 레이저의 일반적인 출력 에너지는 펄스 지속 시간이 1밀리초인 20J입니다. 피크 전력은 20,000W 값에 도달합니다. 빔의 발산은 약 2 x 10 ^-3 입니다. rad, 초점거리가 25mm인 렌즈를 사용하면 스폿 직경은 약 50μm가 됩니다.

전자빔과 마찬가지로 레이저빔은 미세 구멍을 뚫고 매우 좁은 슬롯을 절단하는 데에도 사용됩니다. 최대 250μm 직경의 구멍을 레이저로 쉽게 드릴링할 수 있습니다. 치수 정확도는 약 ±0.025mm입니다. 공작물 두께가 0.25mm보다 크면 mm당 0.05mm의 테이퍼가 나타납니다.

LBM의 역학:

레이저 빔에 의한 가공은 다음 단계를 통해 이루어집니다.

(i) 레이저 빔과 작업 재료의 상호 작용,

(ii) 열전도 및 온도 상승 및

전체 프로세스에 대한 정확한 분석은 어렵고 이 텍스트의 범위를 벗어납니다. 그러나 우리는 녹는점까지 작업 재료의 온도 증가만을 고려하여 근본적으로 중요한 몇 가지 간단한 측면에 대해 논의할 것입니다. 기화 및 절제는 분석에서 고려되지 않습니다.

(i) 레이저 빔과 작업물의 상호 작용:

가공에서 레이저 빔의 적용은 빔과 고체 작업 재료 사이의 열광학 상호 작용에 따라 달라집니다. 따라서 작업 표면이 입사 광선 에너지를 너무 많이 반사해서는 안 된다는 것은 분명합니다. 그림 6.74는 고체 표면에 떨어지는 레이저 빔을 보여줍니다. 흡수된 빛은 매질로 전파되고 그 에너지는 점차적으로 열의 형태로 격자 원자에 전달됩니다. 흡수는 Lambert의 법칙에 의해 다음과 같이 설명됩니다.

I(Z) =I(0)e ^{– μz}

여기서 I(z)는 깊이 z(그림 6.74)에서의 광도를 나타내고 μ는 흡수 계수입니다. 대부분의 에너지는 표면의 매우 얇은 층(일반적인 두께 0.01μm)에 흡수됩니다. 따라서 흡수된 빛 에너지는 표면 자체에서 열로 변환되고 레이저 빔은 열유속과 동일하다고 가정하는 것이 매우 합리적입니다.

(ii) 열 전도 및 온도 상승:

3000K 온도에서 표면으로부터의 재복사는 겨우 600W/cm ² 입니다. 입력 플럭스 10 ⁵ 과 비교할 때 무시할 수 있습니다. -10 ⁷ W/cm ² . 우리의 분석을 1차원적으로 만들기 위해 빔 스폿의 직경은 침투 깊이보다 크다고 가정합니다. 또한 전도도 및 비열과 같은 열적 특성은 온도 변화에 영향을 받지 않는 것으로 간주됩니다.

따라서 등가 열전도 문제는 반무한체의 표면(그림 6.75)에서 균일한 열유속 H(t)로 표시됩니다. 영역 z> 0에 대한 열전도 방정식은 –

정상 상태 구멍 관통 :

재료의 용융된 부분의 치수를 결정하는 것은 매우 복잡합니다. 그러나 용융 피트(또는 구멍)가 깊고 좁은 경우 용융 구멍에서 나오는 열 전도의 대부분이 측벽을 통해 발생합니다. 입열률이 용융부에 의한 열손실률과 같을 때 형태와 크기를 유지한다. 이러한 정상 상태 조건에서 용융 부분(그림 6.77)에 의한 열 손실 비율은 다음과 같이 표시됩니다.

경험에서. D ≈ 55d인 것으로 밝혀졌습니다. 따라서 In(D/d)은 대략 4로 간주될 수 있으며 열 입력률과 열 손실률을 동일하게 하면 우리가 얻는 관계는 -

빔 강도가 매우 높은 경우(>10 ⁷ W/cm ² ), 가열은 매우 빠르며 우리가 방금 설명한 메커니즘은 유효하지 않습니다. 입사빔은 표면을 빠르게 가열하고 증발시킵니다. 따라서 빔이 떨어지는 작업 표면은 재료가 기화함에 따라 후퇴합니다. 따라서 v가 표면이 후퇴하는 속도인 경우 재료를 기화시키는 데 필요한 열 입력 속도(입사 빔의 열 입력 속도와 동일)는 다음과 같습니다.

H ≈ vL, (6.82)

여기서 L은 재료의 단위 부피를 기화시키는 에너지의 양입니다.

LBM 특성 요약:

플라즈마 아크 가공(PAM) :

플라즈마는 고온의 이온화된 가스입니다. 플라즈마 아크 가공은 고온 플라즈마의 고속 제트로 수행됩니다. 플라즈마 제트는 작업물(제트가 충돌하는 부분)을 가열하여 빠르게 녹습니다. PAM은 순산소 가스 절단에 내성이 있는 재료를 포함하여 전기를 전도하는 모든 재료에 사용할 수 있습니다. 이 공정은 스테인리스 강, 모넬 및 초합금 판의 프로파일 절단에 광범위하게 사용됩니다.

플라즈마는 흐르는 가스에 아크의 전자 충격을 가하여 생성됩니다. 이를 위해 전극과 양극 노즐 사이에 아크가 설정됩니다. 가스는 이 호를 통해 강제로 흐릅니다.

호의 고속 전자가 가스 분자와 충돌하여 이원자 분자 또는 원자를 이온과 전자로 해리하여 현재 가스의 전도도를 상당히 증가시킵니다. 플라즈마 상태. 그 후 자유 전자는 가속되어 더 많은 이온화와 가열을 유발합니다. 그 후, 이온과 자유 전자가 원자로 재결합하거나 원자가 발열 과정이므로 분자로 재결합할 때 온도가 더 상승합니다.

따라서 제트 형태로 노즐을 통해 강제로 방출되는 고온 플라즈마가 생성됩니다. 재료 제거 역학은 - (i) 가열 및 용융, (ii) 플라즈마 제트의 블라스팅 작용에 의한 용융 금속 제거를 기반으로 합니다.

자세한 내용은 표준 핸드북 및 참고 도서를 참조하십시오. 여기서는 독자가 프로세스에 익숙해지도록 기본 특성을 나열합니다.

PAM 특성 요약: