非常规加工工艺：AJM、EBM、LBM 和 PAM |制造
在本文中，我们将讨论非常规加工工艺：- 1. 磨料喷射加工 (AJM) 2. 电子束加工 (EBM) 3. 激光束加工 (LBM) 和 4. 等离子弧加工 (PAM)。并了解：- 非常规加工工艺、非常规加工工艺的特点和非常规加工工艺的分类。
磨料喷射加工 (AJM) :
在 AJM 中，材料去除是由于细磨粒的撞击而发生的。这些粒子随着高速空气（或气体）流移动。图 6.1 显示了该过程以及该过程的一些典型参数。磨料颗粒的直径通常为 0.025 毫米，空气在几个大气压的压力下排出。
A 的力学 JM：
当磨粒高速撞击工件表面时，撞击会导致微小的脆性断裂，随后的空气（或气体）带走脱落的小工件颗粒（磨损颗粒） .这显示在图 5 和图 5 中。 6.2a 和 6.2b。因此，很明显，当工件材料脆且脆时，该工艺更适合。提供了用于估计材料去除率 (mrr) 的模型。由于磨粒撞击工作表面而造成的 mrr 表示为 –
其中Z是单位时间内撞击的磨粒数，d是磨粒的平均直径，v是磨粒的速度，ρ是磨料的密度， Hw 是被加工材料的硬度（流变应力），X 是常数。
工艺参数A JM ：
可以通过以下判断来评估工艺特性：（i）mrr，（ii）切割的几何形状，（iii）产生的表面粗糙度，以及（iv）喷嘴磨损。
控制这些数量的主要参数是：
(i) 磨料（成分、强度、尺寸和质量流量），
(ii) 气体（成分、压力和速度），
(iii) 喷嘴（几何形状、材料、距工作表面的距离和倾斜度）。
我们现在将讨论这些参数中的每一个以及它们的效果：
我。磨料：
主要使用两种类型的磨料，即 – (i) 氧化铝和 (ii) 碳化硅。然而，在大多数应用中通常优选氧化铝磨料。这些颗粒的形状不是很重要，但是，为了在工作表面上获得令人满意的磨损效果，这些颗粒应该具有锋利的边缘。可提供标称粒径为 10-50 μm 的 Al2O3 和 SiC 粉末。当公称直径介于 15 μm 和 20 μm 之间时，可获得最佳切割效果。
不建议重复使用研磨粉，因为 - (i) 第一次使用后切割能力下降，以及 (ii) 污染物堵塞喷嘴中的小孔。磨粒的质量流量取决于气体的压力和流量。当射流中磨料的质量分数（混合比）增加时，mrr 最初增加，但随着混合比的进一步增加，它达到最大值然后下降（图 6.3a）。当磨料的质量流量增加时，mrr 也增加（图 6.3b）。
ii.气体：
AJM 装置通常在 0.2 N/mm 的压力下运行 2 到 1 N/mm 2 .气体成分以间接方式影响 mrr，因为速度-压力关系取决于该成分。即使磨料的质量流量保持恒定，高速度显然也会导致高 mrr。
iii.喷嘴：
喷嘴是控制工艺特性的最重要元素之一。由于它与高速流动的磨粒持续接触，因此材料必须非常坚硬以避免任何显着磨损。通常，使用 WC 或蓝宝石。正常操作时，孔板截面积在0.05 mm 2 之间 和 0.2 毫米 2 .
孔口的形状可以是圆形或矩形。喷嘴的平均寿命很难确定。 WC 喷嘴持续时间在 12 小时到 30 小时之间，而蓝宝石喷嘴大约持续 300 小时。
AJM 中最重要的因素之一是工作表面和喷嘴尖端之间的距离，通常称为喷嘴尖端距离 (NTD)。 NTD 不仅会影响工作表面的 mrr，还会影响所产生型腔的形状和尺寸。图 6.5 显示了 NTD 的影响。当 NTD 增加时，磨料颗粒在离开喷嘴后由于加速而撞击工作表面的速度增加。
反过来， 增加了先生。随着 NTD 的进一步增加，由于大气的阻力，速度会降低，它最初会检查 mrr 的增加，最后又会降低它。图 6.6 显示了 NTD 如何影响 mrr。
磨料喷射机由单一制造商（即纽约的 S.S. White Co.）以“Airbrasive”的名义制造和销售。
特征 AJM：
电子束加工 (EBM)：
基本上，电子束加工也是一种热处理工艺。在这里，高速电子流撞击工作表面，从而传递到工作材料的动能产生强烈的热量。根据由此产生的热量的强度，材料可以熔化或汽化。电子束加热过程可根据强度用于退火、焊接或金属去除。
使用足够的电压可以获得非常高的速度；例如，150,000 V 的加速电压可以产生 228,478 公里/秒的电子速度。由于电子束可以聚焦到直径为 10-200μm 的点，因此功率密度可以达到 65000 亿 W/mm 2 .这样的功率密度可以立即气化任何物质。因此，EBM 只不过是一个非常精确控制的汽化过程。 EBM 是一种适合钻细孔和切割窄槽的工艺。
可以在厚度达 1.25 毫米的板材上几乎立即钻出直径为 25-125 微米的孔。 EBM 可切割的最窄槽宽度为 25μm。此外，磁偏转线圈可以操纵电子束，使复杂轮廓的加工变得容易。然而，为了避免加速电子与空气分子的碰撞，该过程必须在真空中进行（大约 10 -5 毫米汞柱）；这使得该工艺不适用于非常大的工件。
为了说明电子束的广泛应用，图 6.69 给出了功率密度与热点直径的关系图。很明显，电子束的射程是最大的。这就是为什么电子束不仅用于机械加工而且还用于其他热处理工艺的原因。
电子从阴极（炽热的钨丝）发射出来，光束由栅杯成形，由于阴极和阳极之间的大电位差，电子被加速。光束在电磁透镜的帮助下聚焦。偏转线圈用于以任何需要的方式控制光束运动。
在钻孔的情况下，孔径取决于光束直径和能量密度。当所需孔的直径大于光束直径时，光束以适当半径的圆形路径偏转。大多数用 EBM 钻出的孔的特点是在工件的光束入射侧有一个小坑。当板材厚度大于0.1mm时，钻孔也具有小锥度（2°—4°）。可以从表 6.5 中获得有关 EBM 钻孔性能特征的一些想法。
在切割槽时，加工速度通常取决于材料去除率，即要切割的槽的横截面。厚度不超过 0.1 毫米的片材中的槽边几乎平行。在较厚的板上切割的槽中观察到 1° 到 2° 的锥度。光束入射侧会出现少量材料飞溅。表 6.6 给出了有关电子束切槽能力的一些概念。
发现功率需求与金属去除率大致成正比。所以，P ≈ CQ，C 是比例常数。表 6.7 给出了不同工件材料的 C 近似值。
使用表 6.7 可以非常粗略地估计给定条件下的加工速度。
EBM 的机制：
电子是最小的稳定基本粒子，质量为 9.109 x 10 -31 kg 和 1.602 x 10 -19 的负电荷 库仑。当一个电子通过 V 伏的电位差加速时，动能的变化可以表示为 1/2me (u 2 –u0 2 ) eV，其中 me 是电子质量，u 是最终速度，而 u0 是初始速度。如果我们假设发射电子的初始速度可以忽略不计，则电子速度 u 的最终表达式为 –
u ≈ 600√V (6.67)
当快速移动的电子撞击材料表面时，它会不受干扰地穿透一层。然后，它开始与分子碰撞，并最终静止（图 6.71）。电子不受干扰地穿透的层称为透明层。
只有当电子开始与晶格原子碰撞时，它才会开始放弃其动能，并产生热量。因此，很明显，热量的产生发生在材料内部，即透明表层下方。电子可以穿透的总范围 (δ) 取决于动能，即取决于加速电压 V。已经发现 –
其中δ是范围，单位为mm，V是加速电压，单位为伏特，p是材料的密度，单位为kg/mm 3 .
EBM 对材料的影响：
由于电子束加工是在不升高周围材料（极薄层除外）温度的情况下实现的，因此对被加工材料没有影响。由于极高的能量密度，距离加工点25-50μm的工件材料保持在室温下。除此之外，由于该过程是在真空中完成的，因此工件受到污染的机会也较少。
EBM 特性总结：
激光束加工 (LBM) ：
就像一束高速电子一样，激光束也能够产生非常高的功率密度。激光是一种高度相干（在空间和时间上）的电磁辐射束，其波长从 0.1μm 到 70μm 不等。然而，加工操作的功率要求将有效可用的波长范围限制为 0.4-0.6μm。
由于激光束的光线完全平行且是单色的，因此它可以聚焦到非常小的直径，并且可以产生高达10 7的功率密度 宽/毫米 2 .为了开发高功率，通常使用脉冲红宝石激光器。连续 CO2-N2 激光器也已成功用于加工操作。
一个盘绕的氙气闪光管被放置在红宝石棒周围，容器壁的内表面被制成高反射性，以便最大的光线落在红宝石棒上进行泵送操作。电容器被充电并且非常高的电压被施加到触发电极以启动闪光。发射的激光束由透镜系统聚焦，聚焦的光束接触工作表面，通过汽化和高速烧蚀去除一小部分材料。
一小部分熔融金属蒸发得如此之快，以至于产生了大量的机械脉冲，将大部分液态金属抛出。由于闪光管释放的能量远大于激光头以激光束形式发出的能量，因此必须对系统进行适当的冷却。
LBM 过程的效率非常低——大约 0.3-0.5%。激光的典型输出能量为 20 J，脉冲持续时间为 1 毫秒。峰值功率达到 20,000 W。光束的发散度约为 2 x 10 -3 rad，并且使用焦距为 25 mm 的镜头，光斑直径变为约 50 μm。
与电子束一样，激光束也用于钻微孔和切割非常窄的槽。激光可以轻松钻出直径达 250μm 的孔。尺寸精度约为 ±0.025 mm。当工件厚度超过 0.25 毫米时，会注意到每毫米有 0.05 毫米的锥度。
LBM 的机制：
激光束加工通过以下几个阶段实现：
(i) 激光束与工件的相互作用，
(ii) 热传导和温升，以及
准确分析整个过程是困难的，超出了本文的范围。然而，我们将讨论一些具有根本重要性的简单方面，只考虑工作材料温度升高到熔点的情况；在我们的分析中不会考虑汽化和消融。
(i) 激光束与工件的相互作用：
激光束在加工中的应用取决于光束与固体工件材料之间的热光相互作用。因此，很明显，工作表面不应反射过多的入射光束能量。图 6.74 显示了落在固体表面上的激光束。吸收的光传播到介质中，其能量以热的形式逐渐转移到晶格原子上。兰伯特定律将吸收描述为 –
I(Z) =I(0)e – μz
其中 I(z) 表示深度 z 处的光强度（图 6.74），μ 是吸收系数。大部分能量被吸收在表面的一个非常薄的层中（典型厚度为 0.01μm）。因此，假设吸收的光能在表面本身转化为热量是非常合理的，并且可以认为激光束等效于热通量。
(ii) 热传导和温升：
在 3000 K 的温度下来自表面的再辐射仅为 600 W/cm 2 与输入通量 10 5 相比可以忽略不计 -10 7 宽/厘米 2 .为了使我们的分析成为一维的，假设光束点的直径大于穿透深度。此外，热性能，例如电导率和比热，被认为不受温度变化的影响。
因此，等效热传导问题由半无限体表面（图 6.75）的均匀热通量 H(t) 表示。 z> 0 区域的热传导方程为 –
稳态孔穿透 ：
材料熔化部分尺寸的确定是相当复杂的。但是，如果熔坑（或熔洞）又深又窄，则熔洞的大部分热传导是通过侧壁进行的。当热输入率等于熔化部分的热损失率时，它保持其形状和尺寸。在这种稳态条件下，熔融部分的热损失率（图 6.77）由下式给出 -
从经验。已经发现D≈55d。因此，In (D/d) 可近似取为 4，并且将热输入率与热损失率相等，我们得到的关系为 –
当光束强度非常高 (>10 7 宽/厘米 2 )，加热非常迅速，我们刚才给出的机理是无效的。入射光束迅速加热表面并使其蒸发。因此，光束落下的工件表面随着材料蒸发而后退。因此，如果 v 是表面后退的速度，则使材料蒸发所需的热输入速率（等于入射光束的热输入速率）是 -
H ≈ vL，(6.82)
其中 L 是蒸发单位体积材料的能量。
LBM 特征总结：
等离子弧加工 (PAM) ：
等离子体是一种高温电离气体。等离子弧加工是通过高温等离子的高速射流完成的。等离子射流加热工件（射流撞击工件的地方），导致快速熔化。 PAM 可用于所有导电材料，包括耐氧燃气切割的材料。该工艺广泛用于不锈钢、蒙乃尔合金和超合金板的型材切割。
使流动的气体受到电弧的电子轰击会产生等离子体。为此，在电极和阳极喷嘴之间建立电弧；气体被迫流过这个电弧。
电弧的高速电子与气体分子碰撞，导致双原子分子或原子解离成离子和电子，导致气体的电导率大幅增加，现在处于等离子体状态。随后，自由电子加速并导致更多的电离和加热。之后，当离子和自由电子重新组合成原子或原子重新组合成分子时，温度会进一步升高，因为这些都是放热过程。
因此，产生了高温等离子体，它以射流的形式被迫通过喷嘴。材料去除的机制基于 - (i) 加热和熔化，以及 (ii) 通过等离子射流的爆破作用去除熔融金属。
更多详细信息，请参阅标准手册和参考书。在这里，我们将列出基本特征以使读者熟悉该过程。
PAM 特性总结：
工业技术