Mengajukan Proses Pengasinan Tak Konvensional: Teknik AJM, EBM, LBM, dan PAM

Dalam artikel ini kita akan membahas tentang proses pengasinan tak konvensional:- 1. Abrasive Jet Machining (AJM) 2. Electron Beam Machining (EBM) 3. Laser Beam Machining (LBM) dan 4. Plasma Arc Machining (PAM). Dan juga pelajari tentang:- Proses Pengasinan Tak Konvensional, Karakteristik Proses Pengasinan Tak Konvensional dan Klasifikasi Proses Pengasinan Tak Konvensional.

Abrasive Jet Machining (AJM):

Dalam AJM, penghapusan bahan terjadi karena impingement partikel abrasif halus. Partikel ini bergerak dengan aliran udara (atau gas) berkecepatan tinggi. Gambar 6.1 menunjukkan proses beserta beberapa parameter proses yang umum. Partikel abrasif biasanya berdiameter 0,025 mm dan udara keluar dengan tekanan beberapa atmosfer.

Mekanika AJM:

Ketika partikel abrasif mengenai permukaan workpiece dengan kecepatan tinggi, tabrakan menyebabkan fraktur retak kecil dan aliran udara (atau gas) berikutnya membawa partikel workpiece kecil yang terlepas (partikel aus). Ini ditunjukkan dalam Gambar 6.2a dan 6.2b. Jadi, jelas bahwa proses ini lebih cocok ketika bahan workpiece rapuh dan renyah. Model untuk estimasi laju penghapusan bahan (mrr) tersedia. mrr akibat retakan permukaan workpiece oleh partikel abrasif yang mengenai dinyatakan sebagai –

di mana Z adalah jumlah partikel abrasif yang mengenai per satuan waktu, d adalah diameter rata-rata partikel abrasif, v adalah kecepatan partikel abrasif, ρ adalah densitas bahan abrasif, H_w adalah kekerasan bahan workpiece (tegang aliran), dan X adalah konstanta.

Parameter Proses AJM:

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

Parameter utama yang mengontrol kuantitas ini adalah:

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

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

(iii) Nozzle (geometri, bahan, jarak dari dan kemiringan terhadap permukaan workpiece).

Kita akan membahas masing-masing parameter ini serta dampaknya:

i. Abrasif:

Kedua jenis abrasif utama digunakan, yaitu, – (i) aluminium oksida dan (ii) karbida silikon. Namun, umumnya abrasif aluminium oksida lebih disukai dalam sebagian besar aplikasi. Bentuk partikel ini tidak terlalu penting, tetapi untuk tindakan aus yang memuaskan pada permukaan workpiece, mereka harus memiliki tepi tajam. Bubuk Al₂O₃ dan SiC dengan diameter partikel nominal 10-50 μm tersedia. Pemotongan terbaik dicapai ketika diameter nominal antara 15 μm dan 20 μm.

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

ii. Gas:

Unit AJM biasanya beroperasi pada tekanan 0,2 N/mm² hingga 1 N/mm². Komposisi gas mempengaruhi mrr secara tidak langsung karena hubungan kecepatan-tekanan bergantung pada komposisi ini. Kecepatan tinggi tentu menyebabkan mrr yang tinggi meskipun laju aliran massa abrasif dipertahankan konstan.

iii. Nozzle:

Nozzle adalah salah satu elemen paling vital yang mengontrol karakteristik proses. Karena terus-menerus bersentuhan dengan partikel abrasif yang beralir dengan kecepatan tinggi, bahan harus sangat keras untuk menghindari aus yang signifikan. Biasanya, WC atau safir digunakan. Untuk operasi normal, luas penampang lubang orifice antara 0,05 mm² dan 0,2 mm².

Bentuk orifice dapat bulat atau persegi panjang. Umur rata-rata nozzle sangat sulit ditentukan. Nozzle WC bertahan antara 12 hingga 30 jam, sedangkan nozzle safir bertahan sekitar 300 jam.

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

Hal ini, pada gilirannya, meningkatkan mrr. Dengan peningkatan NTD lebih lanjut, kecepatan menurun karena serapan atmosfer yang awalnya memeriksa peningkatan mrr dan akhirnya menurunkan mrr. Gambar 6.6 menunjukkan bagaimana NTD mempengaruhi mrr.

Mesin jet abrasif diproduksi dan dipasarkan oleh satu produsen (yaitu, S.S. White Co., New York) di bawah nama “Airbrasive”.

Karakteristik AJM:

Electron Beam Machining (EBM):

Pada dasarnya, pemotongan sinar elektron juga adalah proses termal. Di sini, aliran elektron berkecepatan tinggi mengenai permukaan workpiece di mana energi kinetik, yang ditransfer ke bahan workpiece, menghasilkan pemanasan intens. Tergantung pada intensitas panas yang dihasilkan, bahan dapat mencair atau menguap. Proses pemanasan oleh sinar elektron dapat, tergantung pada intensitas, digunakan untuk pemanasan, las, atau penghapusan logam.

Kecepatan sangat tinggi dapat diperoleh dengan menggunakan tegangan yang cukup; misalnya, tegangan percepatan 150.000 V dapat menghasilkan kecepatan elektron 228.478 km/detik. Karena sinar elektron dapat difokuskan ke titik dengan diameter 10-200μm, kepadatan daya dapat mencapai 6500 miliar W / mm². Kepadatan daya semacam itu dapat menguapkan zat apa saja segera. Jadi, EBM hanyalah proses penguapan yang sangat terkontrol. EBM adalah proses yang cocok untuk bor lubang halus dan memotong slot sempit.

Lubang dengan diameter 25-125μm dapat dibor hampir seketika pada lembar dengan ketebalan hingga 1,25 mm. Slot sempit yang dapat dipotong oleh EBM memiliki lebar 25μm. Selain itu, sinar elektron dapat diarahkan dengan pita defleksi magnet, membuat pemotongan kontur kompleks mudah. Namun, untuk menghindari tabrakan elektron percepatan dengan molekul udara, proses harus dilakukan dalam vacuum (sekitar 10^-5 mm Hg); ini membuat proses tidak cocok untuk workpiece yang sangat besar.

Untuk menunjukkan rentang aplikasi sinar elektron yang luas, grafik kepadatan daya terhadap diameter titik panas diberikan dalam Gambar 6.69. Jelas bahwa rentang sinar elektron adalah yang terbesar. Itulah sebabnya sinar elektron digunakan tidak hanya untuk pemotongan tetapi juga untuk proses termal lainnya.

Elektron dipancarkan dari katoda (filamen tungsten panas), sinar dibentuk oleh cup grid, dan elektron dipercepat karena perbedaan potensi besar antara katoda dan anoda. Sinar difokuskan dengan bantuan lensa elektromagnetik. Pita defleksi digunakan untuk mengontrol gerakan sinar dalam bentuk apa pun yang diinginkan.

Dalam kasus pembuatan lubang, diameter lubang bergantung pada diameter sinar dan kepadatan energi. Ketika diameter lubang yang dibutuhkan lebih besar dari diameter sinar, sinar dilengkungkan dalam jalur lingkaran dengan jari-jari yang tepat. Sebagian besar lubang yang dibor dengan EBM ditandai dengan krater kecil di sisi insiden sinar dari workpiece. Lubang yang dibor juga memiliki sedikit taper (2°—4°) ketika ketebalan lembar lebih dari 0,1 mm. Beberapa ide tentang karakteristik kinerja pembuatan lubang dengan EBM dapat diperoleh dari Tabel 6.5.

Saat memotong slot, kecepatan pemotongan biasanya bergantung pada laju penghapusan bahan, yaitu, penampang slot yang akan dipotong. Sisi slot pada lembar dengan ketebalan hingga 0,1 mm hampir sejajar. Taper 1° hingga 2° terlihat dalam slot yang dipotong pada plat yang lebih tebal. Sebuah jumlah kecil bahan terpancar terjadi di sisi insiden sinar. Tabel 6.6 memberikan beberapa ide tentang kemampuan pemotong slot sinar elektron.

Kebutuhan daya ditemukan secara proporsional dengan laju penghapusan logam. Jadi, P ≈ CQ, C adalah konstanta proporsionalitas. Tabel 6.7 memberikan nilai perkiraan C untuk berbagai bahan workpiece.

Sebuah estimasi kasar dari kecepatan pemotongan untuk kondisi yang diberikan mungkin, menggunakan Tabel 6.7.

Mekanika EBM:

Elektron adalah partikel dasar stabil terkecil dengan massa 9.109 x 10^-31 kg dan muatan negatif 1.602 x 10^-19 coulomb. Ketika elektron dipercepat melalui perbedaan potensi V volt, perubahan energi kinetik dapat dinyatakan sebagai 1/2m_e (u² –u₀²) eV, di mana m_e adalah massa elektron, u adalah kecepatan akhir, dan u₀ adalah kecepatan awal. Jika kita asumsikan kecepatan awal elektron yang dipancarkan tidak signifikan, ekspresi akhir untuk kecepatan elektron u dalam km/detik adalah –

u ≈ 600√V (6.67)

Ketika elektron yang bergerak cepat mengenai permukaan bahan, ia menembus lapisan tanpa gangguan. Kemudian, ia mulai bertabrakan dengan molekul, dan, akhirnya, dihentikan (Gambar 6.71). Lapisan yang menembus elektron tanpa gangguan disebut lapisan transparan.

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

di mana δ adalah rentang dalam mm, V adalah tegangan percepatan dalam volt, dan p adalah densitas bahan dalam kg / mm³.

Efek EBM pada Bahan:

Karena pemotongan oleh sinar elektron dilakukan tanpa meningkatkan suhu bahan di sekitarnya (kecuali lapisan sangat tipis), tidak ada efek pada bahan workpiece. Karena kepadatan energi yang sangat tinggi, bahan workpiece 25-50μm dari tempat pemotongan tetap pada suhu ruangan. Selain itu, peluang kontaminasi workpiece juga lebih rendah karena proses dilakukan dalam vacuum.

Ringkasan Karakteristik EBM:

Laser Beam Machining (LBM):

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

Karena fakta bahwa sinar sinar laser sejajar dan monokromatik sempurna, dapat difokuskan ke diameter yang sangat kecil dan dapat menghasilkan kepadatan daya sebesar 10⁷ W/mm². Untuk mengembangkan daya tinggi, biasanya digunakan laser ruby dipulsa. Laser CO₂-N₂ kontinu juga telah berhasil digunakan dalam operasi pemotongan.

Tabung flash xelon digulung ditempatkan di sekitar batang ruby dan permukaan internal dinding wadah dibuat sangat reflektor sehingga cahaya maksimum jatuh pada batang ruby untuk operasi pemompaan. Kapasitor diisi dan tegangan sangat tinggi diterapkan pada elektroda pemicu untuk memulai kilatan. Sinar laser yang dipancarkan difokuskan oleh sistem lensa dan sinar yang difokuskan mengenai permukaan workpiece, menghapus sebagian kecil bahan dengan penguapan dan ablasi berkecepatan tinggi.

Sebuah pecahan logam cair yang sangat kecil menguap dengan cepat sehingga dorongan mekanis yang signifikan dihasilkan, melontarkan sebagian besar logam cair. Karena energi yang dilepaskan oleh tabung flash jauh lebih besar dari 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 output tipikal 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, menggunakan lensa dengan panjang fokus 25 mm, diameter titik menjadi sekitar 50μm.

Seperti sinar elektron, sinar laser juga digunakan untuk bor mikrolubang dan memotong slot yang sangat sempit. Lubang hingga diameter 250μm dapat dengan mudah dibor oleh laser. Akurasi dimensi sekitar ±0,025 mm. Ketika ketebalan workpiece lebih dari 0,25 mm, taper 0,05 mm per mm terlihat.

Mekanika LBM:

Pemotongan oleh sinar laser dicapai melalui tahap-tahap berikut:

(i) Interaksi sinar laser dengan bahan workpiece,

(ii) Konduksi panas dan kenaikan suhu, dan

Analisis yang akurat dari seluruh proses sulit dan melampaui cakupan teks ini. Kami akan, tuttavia, membahas aspek sederhana tertentu yang penting secara fundamental, hanya mempertimbangkan kenaikan suhu bahan workpiece hingga titik leleh; penguapan dan ablasi tidak akan dipertimbangkan dalam analisis kami.

(i) Interaksi Sinar Laser dengan Bahan:

Penerapan sinar laser dalam pemotongan bergantung pada interaksi termo-optik antara sinar dan bahan workpiece padat. Jadi, jelas bahwa permukaan workpiece tidak boleh memantulkan terlalu banyak energi sinar yang mengenai. Gambar 6.74 menunjukkan sinar laser jatuh pada permukaan padat. Cahaya yang diserap menyebar ke dalam medium dan energinya secara bertahap ditransfer ke atom jaring dalam bentuk panas. Absorpsi dijelaskan oleh hukum Lambert sebagai –

I(Z) = I(0)e^–μz

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

(ii) Konduksi Panas dan Kenaikan Suhu:

Re-radiasi dari permukaan pada suhu 3000 K hanya sekitar 600 W / cm² dan dapat diabaikan dibandingkan dengan flux input 10⁵-10⁷ W / cm². Untuk membuat analisis kami satu dimensi, diameter titik sinar diasumsikan lebih besar dari kedalaman penembusan. Juga, properti termal, misalnya konduktivitas dan kalor spesifik, dianggap tidak terpengaruh oleh perubahan suhu.

Jadi, masalah konduksi panas setara diwakili oleh flux panas seragam H(t) di permukaan (Gambar 6.75) dari badan semi-tak terhingga. Persamaan konduksi panas untuk wilayah z > 0 adalah –

Penembusan Lubang Steady State

Penentuan dimensi bagian cair bahan cukup rumit. Namun, jika lubang cair (atau lubang) dalam dan sempit, sebagian besar konduksi panas dari lubang cair terjadi melalui dinding sampingnya. Ketika laju input panas sama dengan laju kehilangan panas oleh bagian cair, ia mempertahankan bentuk dan ukurannya. Dalam kondisi steady state seperti ini, laju kehilangan panas oleh bagian cair (Gambar 6.77) diberikan oleh –

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

Ketika intensitas sinar sangat tinggi (>10⁷ W / cm²), pemanasan sangat cepat, dan mekanisme yang baru saja kita berikan tidak berlaku. Sinar yang mengenai memanaskan permukaan dengan cepat dan menguapkannya. Jadi, permukaan workpiece tempat sinar jatuh menyusut saat bahan menguap. Jadi, jika v adalah kecepatan permukaan menyusut, laju input panas yang diperlukan untuk menguapkan bahan (sama dengan laju input panas dari sinar yang mengenai) adalah-

H ≈ vL, (6.82)

Di mana L adalah jumlah energi untuk menguapkan satuan volume bahan.

Ringkasan Karakteristik LBM:

Plasma Arc Machining (PAM):

Plasma adalah gas ionis suhu tinggi. Pemotongan plasma arc dilakukan dengan jet plasma berkecepatan tinggi dan suhu tinggi. Jet plasma memanaskan workpiece (tempat jet mengenai), menyebabkan pencairan cepat. PAM dapat digunakan pada semua bahan yang mengantri listrik, termasuk yang tahan terhadap pemotongan gas oksigen-bahan bakar. Proses ini digunakan secara luas untuk pemotongan profil stainless steel, monel, dan plat super alloy.

Plasma dihasilkan dengan memberatkan gas yang mengalir pada bomoran elektron busur. Untuk ini, busur diatur antara elektroda dan nozzle anoda; gas dipaksa untuk mengalir melalui busur ini.

Elektron berkecepatan tinggi dari busur bertabrakan dengan molekul gas, menyebabkan dissoiasi molekul atau atom diatomik menjadi ion dan elektron yang menghasilkan peningkatan substansial dalam konduktivitas gas yang sekarang dalam status plasma. Elektron bebas, kemudian, mempercepat dan menyebabkan lebih banyak ionisasi dan pemanasan. Setelahnya, peningkatan suhu lebih lanjut terjadi ketika ion dan elektron bebas berekombinasi menjadi atom atau ketika atom berekombinasi menjadi molekul karena proses-proses ini eksotermik.

Jadi, plasma suhu tinggi dihasilkan yang dipaksa melalui nozzle dalam bentuk jet. Mekanika penghapusan bahan berdasarkan – (i) pemanasan dan pencairan, dan (ii) penghapusan logam cair oleh tindakan blasting jet plasma.

Untuk detail lebih lanjut, lihat buku panduan dan buku referensi standar. Di sini, kami akan mencantumkan karakteristik dasar untuk memperkenalkan pembaca dengan proses.

Ringkasan Karakteristik PAM: