Proses Pemesinan Tidak Biasa:AJM, EBM, LBM &PAM | Manufaktur

Dalam artikel ini kita akan membahas tentang proses pemesinan yang tidak konvensional:- 1. Abrasive Jet Machining (AJM) 2. Electron Beam Machining (EBM) 3. Laser Beam Machining (LBM) dan 4. Pemesinan Busur Plasma (PAM). Dan juga pelajari tentang:- Proses Pemesinan Inkonvensional, Karakteristik Proses Pemesinan Inkonvensional dan Klasifikasi Proses Pemesinan Tidak Konvensional.

Abrasive Jet Machining (AJM) :

Dalam AJM, pemindahan material terjadi karena tumbukan partikel abrasif halus. Partikel-partikel ini bergerak dengan aliran udara (atau gas) berkecepatan tinggi. Gambar 6.1 menunjukkan proses bersama dengan beberapa parameter khas dari proses. Partikel abrasif biasanya berdiameter 0,025 mm dan udara keluar pada tekanan beberapa atmosfer.

Mekanika A JM:

Bila partikel abrasif mengenai permukaan kerja dengan kecepatan tinggi, tumbukan tersebut menyebabkan patah getas kecil dan udara (atau gas) berikut membawa partikel benda kerja kecil yang terlepas (partikel aus) . Hal ini ditunjukkan pada Gambar. 6.2a dan 6.2b. Dengan demikian, jelas bahwa proses ini lebih cocok ketika bahan kerja rapuh dan rapuh. Sebuah model untuk memperkirakan tingkat pemindahan material (mrr) tersedia. Mrr akibat terkelupasnya permukaan kerja oleh tumbukan partikel abrasif dinyatakan sebagai –

di mana Z adalah jumlah partikel abrasif yang berdampak per satuan waktu, d adalah diameter rata-rata butiran abrasif, v adalah kecepatan butiran abrasif, adalah kerapatan bahan abrasif, H_w adalah kekerasan bahan kerja (tegangan aliran), dan X adalah konstanta.

Parameter Proses dari A JM :

Karakteristik proses dapat dievaluasi dengan menilai – (i) mrr, (ii) geometri potongan, (iii) kekasaran permukaan yang dihasilkan, dan (iv) laju keausan nozel.

Parameter utama yang mengontrol jumlah ini adalah:

(i) Abrasif (komposisi, kekuatan, ukuran, dan laju aliran massa),

(ii) Gas (komposisi, tekanan, dan kecepatan),

(iii) Nosel (geometri, material, jarak dari dan kemiringan ke permukaan kerja).

Sekarang kita akan membahas masing-masing parameter ini serta efeknya:

i. Penggosok:

Terutama dua jenis abrasif yang digunakan, yaitu, – (i) aluminium oksida dan (ii) silikon karbida. Namun, umumnya aluminium oksida abrasif lebih disukai di sebagian besar aplikasi. Bentuk butiran ini tidak terlalu penting, tetapi, untuk tindakan keausan yang memuaskan pada permukaan kerja, butiran ini harus memiliki tepi yang tajam. Al₂ O₃ dan bubuk SiC dengan diameter butir nominal 10-50 m tersedia. Pemotongan terbaik dicapai ketika diameter nominal antara 15 m dan 20 m.

Penggunaan kembali bubuk abrasif tidak disarankan karena – (i) kapasitas pemotongan menurun setelah aplikasi pertama, dan (ii) kontaminasi menyumbat lubang kecil di nosel. Laju aliran massa partikel abrasif tergantung pada tekanan dan laju aliran gas. Ketika fraksi massa abrasive dalam jet (rasio pencampuran) meningkat, mrr awalnya meningkat, tetapi dengan peningkatan lebih lanjut dalam rasio pencampuran, mencapai maksimum dan kemudian turun (Gbr. 6.3a). Ketika laju aliran massa abrasif meningkat, mrr juga meningkat (Gbr. 6.3b).

ii. Gas:

Unit AJM biasanya beroperasi pada tekanan 0,2 N/mm ² hingga 1 N/mm ² . Komposisi gas mempengaruhi mrr secara tidak langsung karena hubungan kecepatan-tekanan tergantung pada komposisi ini. Sebuah kecepatan tinggi jelas menyebabkan mrr tinggi bahkan jika laju aliran massa abrasif dijaga konstan.

iii. Nosel:

Nosel adalah salah satu elemen terpenting yang mengontrol karakteristik proses. Karena terus menerus bersentuhan dengan butiran abrasif yang mengalir dengan kecepatan tinggi, material harus sangat keras untuk menghindari keausan yang signifikan. Biasanya, WC atau safir digunakan. Untuk operasi normal, luas penampang lubang adalah antara 0,05 mm ² dan 0,2 mm ² .

Bentuk lubang dapat berupa lingkaran atau persegi panjang. Kehidupan rata-rata nosel sangat sulit untuk dipastikan. Nozel WC bertahan antara 12 jam dan 30 jam, sedangkan nosel safir bertahan sekitar 300 jam.

Salah satu faktor terpenting dalam AJM adalah jarak antara permukaan kerja dan ujung nozzle, biasanya disebut Nozzle Tip Distance (NTD). NTD tidak hanya mempengaruhi mrr dari permukaan kerja tetapi juga bentuk dan ukuran rongga yang dihasilkan. Gambar 6.5 menunjukkan pengaruh NTD. Ketika NTD meningkat, kecepatan partikel abrasif yang mengenai permukaan kerja meningkat karena percepatannya setelah mereka meninggalkan nozzle.

Ini, pada gilirannya, meningkatkan mrr. Dengan peningkatan NTD lebih lanjut, kecepatan berkurang karena gaya hambat atmosfer yang awalnya memeriksa peningkatan mrr dan akhirnya menurunkannya. Gambar 6.6 menunjukkan bagaimana NTD mempengaruhi mrr.

Mesin jet abrasif diproduksi dan dipasarkan oleh satu pabrikan (yaitu, S.S. White Co., New York) dengan nama "Airbrasive".

Karakteristik AJM:

Pemesinan Sinar Elektron (EBM):

Pada dasarnya, pemesinan berkas elektron juga merupakan proses termal. Di sini, aliran elektron berkecepatan tinggi menimpa permukaan kerja di mana energi kinetik, yang ditransfer ke bahan kerja, menghasilkan pemanasan yang intens. Tergantung pada intensitas panas yang dihasilkan, material dapat meleleh atau menguap. Proses pemanasan oleh berkas elektron dapat, tergantung pada intensitasnya, digunakan untuk anil, pengelasan, atau penghilangan logam.

Kecepatan yang sangat tinggi dapat diperoleh dengan menggunakan tegangan yang cukup; misalnya, tegangan percepatan 150.000 V dapat menghasilkan kecepatan elektron 228.478 km/s. Karena berkas elektron dapat difokuskan ke titik dengan diameter 10-200μm, rapat daya dapat mencapai 6500 miliar W / mm ² . Kepadatan daya seperti itu dapat menguapkan zat apa pun dengan segera. Dengan demikian, EBM tidak lain adalah proses penguapan yang dikontrol dengan sangat tepat. EBM adalah proses yang cocok untuk mengebor lubang halus dan memotong celah sempit.

Lubang dengan diameter 25-125μm dapat dibor hampir seketika dalam lembaran dengan ketebalan hingga 1,25 mm. Slot tersempit yang dapat dipotong oleh EBM memiliki lebar 25μm. Selain itu, berkas elektron dapat digerakkan oleh kumparan defleksi magnetik, membuat pemesinan kontur kompleks menjadi mudah. Namun, untuk menghindari tumbukan elektron yang mempercepat dengan molekul udara, proses harus dilakukan dalam ruang hampa (sekitar 10 ^-5 mm Hg); ini membuat proses tidak cocok untuk benda kerja yang sangat besar.

Untuk menunjukkan berbagai aplikasi berkas elektron, plot rapat daya versus diameter titik panas diberikan pada Gambar 6.69. Jelas bahwa jangkauan berkas elektron adalah yang terbesar. Inilah sebabnya mengapa berkas elektron digunakan tidak hanya untuk pemesinan tetapi juga untuk proses termal lainnya.

Elektron dipancarkan dari katoda (filamen tungsten panas), berkas dibentuk oleh cangkir grid, dan elektron dipercepat karena perbedaan potensial yang besar antara katoda dan anoda. Sinar difokuskan dengan bantuan lensa elektromagnetik. Kumparan defleksi digunakan untuk mengontrol gerakan balok dengan cara apa pun yang diperlukan.

Dalam kasus lubang pengeboran diameter lubang tergantung pada diameter balok dan kepadatan energi. Ketika diameter lubang yang dibutuhkan lebih besar dari diameter balok, balok dibelokkan dalam jalur melingkar dengan jari-jari yang tepat. Kebanyakan lubang yang dibor dengan EBM ditandai dengan adanya kawah kecil pada sisi kejadian balok dari pekerjaan. Lubang yang dibor juga memiliki sedikit lancip (2°—4°) jika ketebalan lembaran lebih dari 0,1 mm. Beberapa gambaran tentang karakteristik kinerja lubang bor dengan EBM dapat diperoleh dari Tabel 6.5.

Saat memotong slot, kecepatan pemesinan biasanya tergantung pada tingkat pemindahan material, yaitu, penampang slot yang akan dipotong. Sisi slot dalam lembaran dengan ketebalan hingga 0,1 mm hampir sejajar. Sebuah lancip dari 1° sampai 2° diamati pada potongan slot di piring yang lebih tebal. Sejumlah kecil material memerciki terjadi pada sisi datang balok. Tabel 6.6 memberikan beberapa gambaran tentang kemampuan pemotongan celah berkas elektron.

Kebutuhan daya ditemukan kira-kira sebanding dengan laju penghilangan logam. Jadi, P CQ, C adalah konstanta proporsionalitas. Tabel 6.7 memberikan perkiraan nilai C untuk bahan kerja yang berbeda.

Estimasi kecepatan pemesinan yang sangat kasar untuk kondisi tertentu dimungkinkan, dengan menggunakan Tabel 6.7.

Mekanika EBM:

Elektron adalah partikel elementer terkecil yang stabil dengan massa 9,109 x 10 ^-31 kg dan muatan negatif sebesar 1,602 x 10 ^-19 coulomb. Ketika sebuah elektron dipercepat melalui beda potensial V volt, perubahan energi kinetik dapat dinyatakan sebagai 1/2m_e (u ² –u₀ ² ) eV, di mana m_e adalah massa elektron, u adalah kecepatan akhir, dan u₀ adalah kecepatan awal mati. Jika kita menganggap kecepatan awal elektron yang memancarkan dapat diabaikan, ekspresi akhir untuk kecepatan elektron u dalam km/s adalah –

u 600√V (6.67)

Ketika elektron yang bergerak cepat menumbuk permukaan material, ia menembus lapisan tanpa gangguan. Kemudian, ia mulai bertabrakan dengan molekul, dan akhirnya berhenti (Gbr. 6.71). Lapisan yang dilalui elektron tanpa gangguan disebut lapisan transparan.

Hanya ketika elektron mulai bertabrakan dengan atom kisi, ia mulai melepaskan energi kinetiknya, dan panas dihasilkan. Jadi, jelas bahwa pembangkitan panas terjadi di dalam bahan, yaitu di bawah kulit transparan. Jangkauan total yang dapat ditembus elektron (δ) bergantung pada energi kinetik, yaitu pada tegangan percepatan V. Telah ditemukan bahwa –

Dimana adalah rentang dalam mm, V adalah tegangan percepatan dalam volt, dan p adalah massa jenis bahan dalam kg / mm ³ .

Efek EBM pada Material:

Karena pemesinan dengan berkas elektron dicapai tanpa menaikkan suhu bahan di sekitarnya (kecuali lapisan yang sangat tipis), tidak ada efek pada bahan kerja. Karena kepadatan energi yang sangat tinggi, material kerja yang berjarak 25-50μm dari tempat pemesinan tetap berada pada suhu kamar. Selain itu, kemungkinan kontaminasi pekerjaan juga lebih kecil karena prosesnya dilakukan dalam ruang hampa.

Ringkasan Karakteristik EBM:

Pemesinan Sinar Laser (LBM) :

Seperti berkas elektron berkecepatan tinggi, sinar laser juga mampu menghasilkan kepadatan daya yang sangat tinggi. Laser adalah sinar radiasi elektromagnetik yang sangat koheren (dalam ruang dan waktu) dengan panjang gelombang bervariasi dari 0,1μm hingga 70μm. Namun, kebutuhan daya untuk operasi pemesinan membatasi rentang panjang gelombang yang dapat digunakan secara efektif hingga 0,4-0,6μm.

Karena fakta bahwa sinar sinar laser sejajar sempurna dan monokromatik, ia dapat difokuskan pada diameter yang sangat kecil dan dapat menghasilkan kerapatan daya setinggi 10 ⁷ L/mm ² . Untuk mengembangkan daya tinggi, biasanya laser ruby ​​berdenyut digunakan. CO terus menerus₂ -N₂ laser juga telah berhasil digunakan dalam operasi pemesinan.

Sebuah tabung flash xenon melingkar ditempatkan di sekitar batang ruby ​​​​dan permukaan internal dinding wadah dibuat sangat memantulkan sehingga cahaya maksimum jatuh pada batang ruby ​​​​untuk operasi pemompaan. Kapasitor diisi dan tegangan yang sangat tinggi diterapkan ke elektroda pemicu untuk inisiasi lampu kilat. Sinar laser yang dipancarkan difokuskan oleh sistem lensa dan sinar terfokus memenuhi permukaan kerja, menghilangkan sebagian kecil material dengan penguapan dan ablasi kecepatan tinggi.

Bagian yang sangat kecil dari logam cair diuapkan begitu cepat sehingga impuls mekanis yang besar dihasilkan, membuang sebagian besar logam cair. Karena energi yang dilepaskan oleh tabung flash lebih banyak daripada energi yang dipancarkan oleh kepala laser dalam bentuk sinar laser, sistem harus didinginkan dengan benar.

Efisiensi proses LBM sangat rendah—sekitar 0,3-0,5%. Energi keluaran khas laser adalah 20 J dengan durasi pulsa 1 milidetik. Daya puncak mencapai nilai 20.000 W. Divergensi sinar sekitar 2 x 10 ^-3 rad, dan, dengan menggunakan lensa dengan panjang fokus 25 mm, diameter titik menjadi sekitar 50μm.

Seperti berkas elektron, sinar laser juga digunakan untuk mengebor lubang mikro dan memotong celah yang sangat sempit. Lubang hingga diameter 250μm dapat dengan mudah dibor dengan laser. Akurasi dimensinya sekitar ±0,025 mm. Ketika ketebalan benda kerja lebih dari 0,25 mm, terlihat lancip 0,05 mm per mm.

Mekanika LBM:

Pemesinan dengan sinar laser dicapai melalui fase berikut:

(i) Interaksi sinar laser dengan bahan kerja,

(ii) Konduksi panas dan kenaikan suhu, dan

Analisis yang akurat dari seluruh proses sulit dilakukan dan di luar cakupan teks ini. Akan tetapi, kita akan membahas aspek-aspek sederhana tertentu yang sangat penting, dengan hanya mempertimbangkan peningkatan suhu bahan kerja hingga titik leleh; penguapan dan ablasi tidak akan diperhitungkan dalam analisis kami.

(i) Interaksi Sinar Laser dengan Kerja:

Penerapan sinar laser dalam pemesinan tergantung pada interaksi termo-optik antara sinar dan bahan kerja padat. Jadi, jelas bahwa permukaan kerja seharusnya tidak memantulkan kembali terlalu banyak energi sinar datang. Gambar 6.74 menunjukkan sinar laser yang jatuh pada permukaan padat. Cahaya yang diserap merambat ke medium dan energinya secara bertahap ditransfer ke atom kisi dalam bentuk panas. Penyerapan dijelaskan oleh hukum Lambert sebagai –

I(Z) =I(0)e ^{– μz}

Di mana I(z) menunjukkan intensitas cahaya pada kedalaman z (Gbr. 6.74) dan adalah koefisien penyerapan. Sebagian besar energi diserap dalam lapisan yang sangat tipis di permukaan (ketebalan tipikal 0,01μm). Jadi, cukup masuk akal untuk mengasumsikan bahwa energi cahaya yang diserap diubah menjadi panas di permukaan itu sendiri, dan sinar laser dapat dianggap setara dengan fluks panas.

(ii) Konduksi Panas dan Kenaikan Suhu:

Radiasi ulang dari permukaan pada suhu 3000 K hanya 600 W / cm ² dan dapat diabaikan jika dibandingkan dengan fluks input 10 ⁵ -10 ⁷ W / cm ² . Untuk membuat analisis kami satu dimensi, diameter titik pancaran diasumsikan lebih besar dari kedalaman penetrasi. Juga, sifat termal, misalnya, konduktivitas dan panas spesifik, dianggap tetap tidak terpengaruh oleh perubahan suhu.

Jadi, masalah konduksi panas ekivalen diwakili oleh fluks panas seragam H(t) di permukaan (Gbr. 6.75) benda semi-tak hingga. Persamaan konduksi panas untuk daerah z> 0 adalah –

Penetrasi Lubang Stabil :

Penentuan dimensi bagian cair material cukup rumit. Namun, jika lubang cair (atau lubang) dalam dan sempit, sebagian besar konduksi panas dari lubang cair terjadi melalui dinding samping. Ketika laju masukan panas sama dengan laju kehilangan panas oleh bagian cair, ia mempertahankan bentuk dan ukurannya. Dalam kondisi tunak seperti itu, laju kehilangan panas oleh bagian cair (Gbr. 6.77) diberikan oleh –

Dari pengalaman. telah ditemukan bahwa D 55d. Jadi, In (D/d) dapat diambil kira-kira menjadi 4, dan menyamakan laju masukan panas dengan laju kehilangan panas, hubungan yang kita peroleh adalah –

Bila intensitas sinar sangat tinggi (>10 ⁷ W / cm ² ), pemanasannya sangat cepat, dan mekanisme yang baru saja kita berikan tidak valid. Sinar datang memanaskan permukaan dengan cepat dan menguapkannya. Dengan demikian, permukaan pekerjaan tempat balok jatuh menyusut saat bahan menguap. Jadi, jika v adalah kecepatan surutnya permukaan, laju masukan panas yang diperlukan untuk menguapkan bahan (sama dengan laju masukan panas dari sinar datang) adalah-

H vL, (6.82)

Di mana L adalah jumlah energi untuk menguapkan satu unit volume material.

Ringkasan Karakteristik LBM:

Pemesinan Busur Plasma (PAM) :

Plasma adalah gas terionisasi suhu tinggi. Pemesinan busur plasma dilakukan dengan jet berkecepatan tinggi dari plasma suhu tinggi. Pancaran plasma memanaskan benda kerja (tempat pancaran mengenai benda itu), menyebabkan pelelehan cepat. PAM dapat digunakan pada semua bahan yang menghantarkan listrik, termasuk yang tahan terhadap pemotongan gas oxy-fuel. Proses ini banyak digunakan untuk pemotongan profil pelat baja tahan karat, monel, dan paduan super.

Sebuah plasma dihasilkan dengan menundukkan gas yang mengalir ke bombardir elektron dari busur. Untuk ini, busur diatur antara elektroda dan nosel anodik; gas dipaksa untuk mengalir melalui busur ini.

Elektron kecepatan tinggi busur bertabrakan dengan molekul gas, menyebabkan disosiasi molekul diatomik atau atom menjadi ion dan elektron yang mengakibatkan peningkatan substansial dalam konduktivitas gas yang sekarang di keadaan plasma. Elektron bebas, selanjutnya, mempercepat dan menyebabkan lebih banyak ionisasi dan pemanasan. Setelah itu, peningkatan suhu lebih lanjut terjadi ketika ion dan elektron bebas bergabung kembali menjadi atom atau ketika atom bergabung kembali menjadi molekul karena ini adalah proses eksotermik.

Jadi, plasma suhu tinggi dihasilkan yang didorong melalui nosel dalam bentuk jet. Mekanisme penghilangan material didasarkan pada - (i) pemanasan dan peleburan, dan (ii) penghilangan logam cair dengan aksi peledakan pancaran plasma.

Untuk detail lebih lanjut, lihat buku pegangan standar dan buku referensi. Di sini, kami akan membuat daftar karakteristik dasar untuk membiasakan pembaca dengan prosesnya.

Ringkasan karakteristik PAM: