Processus d'usinage non conventionnels :AJM, EBM, LBM &PAM | Fabrication

Dans cet article, nous discuterons des processus d'usinage non conventionnels : - 1. Usinage par jet abrasif (AJM) 2. Usinage par faisceau d'électrons (EBM) 3. Usinage par faisceau laser (LBM) et 4. Usinage à l'arc plasma (PAM). Et découvrez également : Processus d'usinage non conventionnel, caractéristiques du processus d'usinage non conventionnel et classifications des processus d'usinage non conventionnels.

Usinage au jet abrasif (AJM) :

Dans AJM, l'enlèvement de matière a lieu en raison de l'impact des fines particules abrasives. Ces particules se déplacent avec un flux d'air (ou de gaz) à grande vitesse. La figure 6.1 montre le processus ainsi que quelques paramètres typiques du processus. Les particules abrasives ont typiquement un diamètre de 0,025 mm et l'air se décharge à une pression de plusieurs atmosphères.

Mécanique de A JM :

Lorsqu'une particule abrasive heurte la surface de travail à grande vitesse, l'impact provoque une petite fracture fragile et l'air (ou le gaz) suivant emporte la petite particule de pièce délogée (particule d'usure) . Ceci est montré dans les Fig. 6.2a et 6.2b. Ainsi, il est évident que le procédé est plus adapté lorsque le matériau de travail est cassant et fragile. Un modèle d'estimation du taux d'enlèvement de matière (mrr) est disponible. Le mrr dû à l'écaillage de la surface de travail par les particules abrasives impactantes est exprimé par -

où Z est le nombre de particules abrasives impactant par unité de temps, d est le diamètre moyen des grains abrasifs, v est la vitesse des grains abrasifs, ρ est la densité du matériau abrasif, H_w est la dureté du matériau de travail (la contrainte d'écoulement), et X est une constante.

Paramètres de processus de A JM :

Les caractéristiques du processus peuvent être évaluées en jugeant - (i) le mrr, (ii) la géométrie de la coupe, (iii) la rugosité de la surface produite, et (iv) le taux de usure de la buse.

Les principaux paramètres qui contrôlent ces quantités sont :

(i) L'abrasif (composition, résistance, taille et débit massique),

(ii) Le gaz (composition, pression et vitesse),

(iii) La buse (géométrie, matériau, distance et inclinaison par rapport à la surface de travail).

Nous allons maintenant discuter de chacun de ces paramètres ainsi que de leurs effets :

je. L'abrasif :

principalement deux types d'abrasifs sont utilisés, à savoir – (i) l'oxyde d'aluminium et (ii) le carbure de silicium. Cependant, les abrasifs à base d'oxyde d'aluminium sont généralement préférés dans la plupart des applications. La forme de ces grains n'est pas très importante, mais, pour une usure satisfaisante du plan de travail, ceux-ci doivent avoir des arêtes vives. Al₂ O₃ et des poudres SiC avec un diamètre de grain nominal de 10-50 m sont disponibles. La meilleure coupe est obtenue lorsque le diamètre nominal est compris entre 15 µm et 20 µm.

Une réutilisation de la poudre abrasive n'est pas recommandée car la – (i) capacité de coupe diminue après la première application, et (ii) la contamination obstrue les petits orifices de la buse. Le débit massique des particules abrasives dépend de la pression et du débit du gaz. Lorsque la fraction massique des abrasifs dans le jet (rapport de mélange) augmente, le mrr augmente initialement, mais avec une augmentation supplémentaire du rapport de mélange, il atteint un maximum puis chute (Fig. 6.3a). Lorsque le débit massique de l'abrasif augmente, le mrr augmente également (Fig. 6.3b).

ii. Le gaz :

Les unités AJM fonctionnent normalement à une pression de 0,2 N/mm ² à 1 N/mm ² . La composition du gaz affecte le mrr de manière indirecte car la relation vitesse-pression dépend de cette composition. Une vitesse élevée provoque évidemment un mrr élevé même si le débit massique de l'abrasif est maintenu constant.

iii. La buse :

La buse est l'un des éléments les plus essentiels contrôlant les caractéristiques du processus. Etant en contact permanent avec les grains abrasifs circulant à grande vitesse, le matériau doit être très dur pour éviter toute usure importante. Normalement, WC ou saphir est utilisé. Pour un fonctionnement normal, la section transversale de l'orifice est comprise entre 0,05 mm ² et 0,2 mm ² .

La forme de l'orifice peut être circulaire ou rectangulaire. La durée de vie moyenne d'une buse est très difficile à déterminer. Une buse WC dure entre 12h et 30h, alors qu'une buse en saphir dure 300h environ.

L'un des facteurs les plus importants de l'AJM est la distance entre la surface de travail et la pointe de la buse, normalement appelée distance de la pointe de la buse (NTD). Le NTD affecte non seulement le mrr de la surface de travail mais aussi la forme et la taille de la cavité produite. La figure 6.5 montre l'effet des MTN. Lorsque le NTD augmente, la vitesse des particules abrasives frappant la surface de travail augmente en raison de leur accélération après avoir quitté la buse.

Ceci, à son tour, augmente le mrr. Avec une augmentation supplémentaire de la NTD, la vitesse diminue en raison de la traînée de l'atmosphère qui vérifie d'abord l'augmentation du mrr et la diminue finalement. La figure 6.6 montre comment la NTD affecte le mrr.

Les machines à jet abrasif sont fabriquées et commercialisées par un seul fabricant (à savoir, S.S. White Co., New York) sous le nom « Airbrasive ».

Caractéristiques de AJM :

Usinage par faisceau d'électrons (EBM) :

Fondamentalement, l'usinage par faisceau d'électrons est également un processus thermique. Ici, un flux d'électrons à grande vitesse frappe la surface de travail, l'énergie cinétique transférée au matériau de travail produisant un chauffage intense. Selon l'intensité de la chaleur ainsi générée, le matériau peut fondre ou se vaporiser. Le procédé de chauffage par faisceau d'électrons peut, selon l'intensité, être utilisé pour le recuit, le soudage ou l'enlèvement de métal.

Des vitesses très élevées peuvent être obtenues en utilisant une tension suffisante; par exemple, une tension d'accélération de 150 000 V peut produire une vitesse électronique de 228 478 km/s. Puisqu'un faisceau d'électrons peut être focalisé sur un point d'un diamètre de 10 à 200 μm, la densité de puissance peut aller jusqu'à 6 500 milliards de W/mm ² . Une telle densité de puissance peut vaporiser n'importe quelle substance immédiatement. Ainsi, l'EBM n'est rien d'autre qu'un procédé de vaporisation très précisément contrôlé. L'EBM est un procédé approprié pour percer des trous fins et découper des fentes étroites.

Des trous d'un diamètre de 25 à 125 m peuvent être percés presque instantanément dans des tôles d'une épaisseur allant jusqu'à 1,25 mm. La fente la plus étroite pouvant être découpée par EBM a une largeur de 25 µm. De plus, un faisceau d'électrons peut être manœuvré par les bobines de déviation magnétique, ce qui facilite l'usinage de contours complexes. Cependant, pour éviter une collision des électrons en accélération avec les molécules d'air, le processus doit être conduit sous vide (environ 10 ^-5 mmHg); cela rend le processus inadapté pour les très grandes pièces.

Pour indiquer le large éventail d'applications du faisceau d'électrons, un graphique de la densité de puissance en fonction du diamètre du point chaud est donné sur la figure 6.69. Il est évident que la portée du faisceau d'électrons est la plus grande. C'est pourquoi le faisceau d'électrons est utilisé non seulement pour l'usinage mais aussi pour les autres procédés thermiques.

Les électrons sont émis par la cathode (un filament de tungstène chaud), le faisceau est formé par la coupelle de la grille et les électrons sont accélérés en raison d'une grande différence de potentiel entre la cathode et l'anode. Le faisceau est focalisé à l'aide des lentilles électromagnétiques. Les bobines de déviation sont utilisées pour contrôler le mouvement du faisceau de n'importe quelle manière requise.

En cas de perçage de trous, le diamètre du trou dépend du diamètre du faisceau et de la densité d'énergie. Lorsque le diamètre du trou requis est supérieur au diamètre du faisceau, le faisceau est dévié selon une trajectoire circulaire avec un rayon approprié. La plupart des trous forés avec EBM sont caractérisés par un petit cratère sur le côté incident du faisceau de l'ouvrage. Les trous percés possèdent également une petite conicité (2°-4°) lorsque l'épaisseur de la tôle est supérieure à 0,1 mm. Une idée des caractéristiques de performance du forage de trous avec EBM peut être obtenue à partir du tableau 6.5.

Lors de la découpe d'une rainure, la vitesse d'usinage dépend normalement du taux d'enlèvement de matière, c'est-à-dire de la section transversale de la rainure à découper. Les côtés d'une fente dans une tôle d'une épaisseur allant jusqu'à 0,1 mm sont presque parallèles. Une conicité de 1° à 2° est observée dans une fente découpée dans une plaque plus épaisse. Une petite quantité d'éclaboussures de matériau se produit du côté incident du faisceau. Le tableau 6.6 donne une idée des capacités de découpe des fentes du faisceau d'électrons.

La puissance requise s'avère être approximativement proportionnelle au taux d'enlèvement de métal. Donc, P CQ, C étant la constante de proportionnalité. Le tableau 6.7 donne les valeurs approximatives de C pour différents matériaux de travail.

Une estimation très grossière de la vitesse d'usinage pour les conditions données est possible, en utilisant le Tableau 6.7.

Mécanique de l'EBM :

Les électrons sont les plus petites particules élémentaires stables avec une masse de 9,109 x 10 ^-31 kg et une charge négative de 1,602 x 10 ^-19 Coulomb. Lorsqu'un électron est accéléré par une différence de potentiel de V volts, la variation de l'énergie cinétique peut être exprimée par 1/2 m_e (u ² –u₀ ² ) eV, où m_e est la masse de l'électron, u est la vitesse finale, et u₀ est la vitesse initiale. Si nous supposons que la vitesse initiale des électrons émetteurs est négligeable, l'expression finale de la vitesse des électrons u en km/sec est –

u 600√V (6,67)

Lorsqu'un électron en mouvement rapide heurte la surface d'un matériau, il pénètre à travers une couche sans être perturbé. Ensuite, il commence à entrer en collision avec les molécules et, finalement, s'immobilise (Fig. 6.71). La couche à travers laquelle l'électron pénètre sans être perturbé est appelée la couche transparente.

Ce n'est que lorsque l'électron commence à entrer en collision avec les atomes du réseau qu'il commence à abandonner son énergie cinétique et que de la chaleur est générée. Ainsi, il est clair que la génération de chaleur a lieu à l'intérieur du matériau, c'est-à-dire sous la peau transparente. La plage totale dans laquelle l'électron peut pénétrer (δ) dépend de l'énergie cinétique, c'est-à-dire de la tension d'accélération V. Il a été constaté que –

Où est la plage en mm, V est la tension d'accélération en volts, et p est la densité du matériau en kg / mm ³ .

Effets de l'EBM sur les matériaux :

L'usinage par faisceau d'électrons étant réalisé sans élever la température du matériau environnant (hormis une couche extrêmement fine), il n'y a pas d'effet sur le matériau de travail. En raison de la densité d'énergie extrêmement élevée, le matériau de travail à 25-50 μm du point d'usinage reste à la température ambiante. En dehors de cela, le risque de contamination du travail est également moindre car le processus est accompli sous vide.

Résumé des caractéristiques EBM :

Usinage par faisceau laser (LBM)  :

Comme un faisceau d'électrons à grande vitesse, un faisceau laser est également capable de produire une densité de puissance très élevée. Le laser est un faisceau hautement cohérent (dans l'espace et dans le temps) de rayonnement électromagnétique dont la longueur d'onde varie de 0,1 µm à 70 µm. Cependant, la puissance requise pour une opération d'usinage restreint la plage de longueurs d'onde effectivement utilisable à 0,4-0,6 µm.

Du fait que les rayons d'un faisceau laser sont parfaitement parallèles et monochromatiques, il peut être focalisé sur un très petit diamètre et peut produire une densité de puissance pouvant atteindre 10 ⁷ W/mm ² . Pour développer une puissance élevée, un laser rubis pulsé est normalement utilisé. Le CO₂ continu -N₂ le laser a également été utilisé avec succès dans les opérations d'usinage.

Un tube éclair au xénon enroulé est placé autour de la tige de rubis et la surface interne des parois du conteneur est rendue hautement réfléchissante de sorte qu'un maximum de lumière tombe sur la tige de rubis pour l'opération de pompage. Le condensateur est chargé et une très haute tension est appliquée à l'électrode de déclenchement pour l'initiation du flash. Le faisceau laser émis est focalisé par un système de lentilles et le faisceau focalisé rencontre la surface de travail, éliminant une petite partie du matériau par vaporisation et ablation à grande vitesse.

Une très petite fraction du métal en fusion est vaporisée si rapidement qu'une impulsion mécanique importante est générée, rejetant une grande partie du métal liquide. L'énergie libérée par le tube flash étant bien supérieure à l'énergie émise par la tête laser sous forme de faisceau laser, le système doit être correctement refroidi.

L'efficacité du processus LBM est très faible, environ 0,3 à 0,5 %. L'énergie de sortie typique d'un laser est de 20 J avec une durée d'impulsion de 1 milliseconde. La puissance crête atteint une valeur de 20 000 W. La divergence du faisceau est d'environ 2 x 10 ^-3 rad, et, en utilisant une lentille avec une distance focale de 25 mm, le diamètre du spot devient d'environ 50 μm.

Comme le faisceau d'électrons, le faisceau laser est également utilisé pour percer des micro-trous et découper des fentes très étroites. Des trous jusqu'à 250 μm de diamètre peuvent être facilement percés par un laser. La précision dimensionnelle est d'environ ±0,025 mm. Lorsque l'épaisseur de la pièce est supérieure à 0,25 mm, une conicité de 0,05 mm par mm est constatée.

Mécanique de LBM :

L'usinage par faisceau laser s'effectue selon les phases suivantes :

(i) Interaction du faisceau laser avec le matériel de travail,

(ii) conduction thermique et élévation de température, et

Une analyse précise de l'ensemble du processus est difficile et dépasse le cadre de ce texte. Nous discuterons cependant certains aspects simples d'importance fondamentale, en ne considérant que l'augmentation de la température de la matière à travailler jusqu'au point de fusion; la vaporisation et l'ablation ne seront pas prises en compte dans notre analyse.

(i) Interaction du faisceau laser avec le travail :

L'application d'un faisceau laser dans l'usinage dépend de l'interaction thermo-optique entre le faisceau et le matériau de travail solide. Il est donc évident que la surface de travail ne doit pas trop réfléchir l'énergie du faisceau incident. La figure 6.74 montre un faisceau laser tombant sur une surface solide. La lumière absorbée se propage dans le milieu et son énergie est progressivement transférée aux atomes du réseau sous forme de chaleur. L'absorption est décrite par la loi de Lambert comme –

I(Z) =I(0)e ^{– μz}

Où I(z) désigne l'intensité lumineuse à une profondeur z (Fig. 6.74) et est le coefficient d'absorption. La majeure partie de l'énergie est absorbée dans une couche très mince à la surface (épaisseur typique de 0,01 µm). Ainsi, il est tout à fait raisonnable de supposer que l'énergie lumineuse absorbée est convertie en chaleur à la surface elle-même, et le faisceau laser peut être considéré comme équivalent à un flux de chaleur.

(ii) Conduction de chaleur et élévation de température :

Le ré-rayonnement de la surface à une température de 3000 K est de l'ordre de seulement 600 W/cm ² et il est négligeable par rapport au flux d'entrée 10 ⁵ -10 ⁷ W / cm ² . Pour rendre notre analyse unidimensionnelle, le diamètre du spot du faisceau est supposé être plus grand que la profondeur de pénétration. De plus, les propriétés thermiques, par exemple la conductivité et la chaleur spécifique, sont considérées comme non affectées par le changement de température.

Ainsi, le problème de conduction thermique équivalente est représenté par un flux de chaleur uniforme H(t) à la surface (Fig. 6.75) d'un corps semi-infini. L'équation de conduction thermique pour la région z> 0 est –

Pénétration du trou en régime permanent  :

La détermination des dimensions de la partie fondue du matériau est assez compliquée. Cependant, si le puits de fusion (ou trou) est profond et étroit, la majeure partie de la conduction thermique du trou de fusion a lieu à travers les parois latérales. Lorsque le taux d'apport de chaleur est égal au taux de perte de chaleur par la partie fondue, elle conserve sa forme et sa taille. Dans un tel état d'équilibre, le taux de perte de chaleur par la partie fondue (Fig. 6.77) est donné par –

De l'expérience. il a été trouvé que D 55d. Ainsi, In (D/d) peut être approximativement égal à 4, et en égalant le taux d'apport de chaleur au taux de perte de chaleur, la relation que nous obtenons est -

Lorsque l'intensité du faisceau est très élevée (>10 ⁷ W / cm ² ), l'échauffement est très rapide, et le mécanisme que nous venons de donner n'est pas valable. Le faisceau incident chauffe rapidement la surface et la vaporise. Ainsi, la surface de l'ouvrage où tombe le faisceau recule au fur et à mesure que le matériau se vaporise. Ainsi, si v est la vitesse à laquelle la surface recule, le taux d'apport de chaleur requis pour vaporiser le matériau (égal au taux d'apport de chaleur du faisceau incident) est-

H ≈ vL, (6.82)

Où L est la quantité d'énergie pour vaporiser une unité de volume du matériau.

Résumé des caractéristiques LBM :

Usinage à l'arc plasma (PAM)  :

Un plasma est un gaz ionisé à haute température. L'usinage à l'arc plasma se fait avec un jet à grande vitesse d'un plasma à haute température. Le jet de plasma chauffe la pièce à usiner (là où le jet la frappe), provoquant une fusion rapide. Le PAM peut être utilisé sur tous les matériaux conducteurs d'électricité, y compris ceux résistants à l'oxycoupage des gaz. Ce processus est largement utilisé pour la découpe de profilés en acier inoxydable, en monel et en superalliages.

Un plasma est généré en soumettant un gaz en écoulement au bombardement électronique d'un arc. Pour cela, l'arc est mis en place entre l'électrode et la buse anodique; le gaz est forcé de s'écouler à travers cet arc.

Les électrons à grande vitesse de l'arc entrent en collision avec les molécules de gaz, provoquant une dissociation des molécules ou atomes diatomiques en ions et électrons entraînant une augmentation substantielle de la conductivité du gaz qui est maintenant en état plasmatique. Les électrons libres, par la suite, accélèrent et provoquent plus d'ionisation et de chauffage. Ensuite, une nouvelle augmentation de la température a lieu lorsque les ions et les électrons libres se recombinent en atomes ou lorsque les atomes se recombinent en molécules car il s'agit de processus exothermiques.

Ainsi, un plasma à haute température est généré qui est forcé à travers la buse sous la forme d'un jet. La mécanique de l'enlèvement de matière est basée sur – (i) le chauffage et la fusion, et (ii) l'enlèvement du métal en fusion par l'action de soufflage du jet de plasma.

Pour plus de détails, consultez les manuels standard et les ouvrages de référence. Ici, nous allons lister les caractéristiques de base pour familiariser le lecteur avec le processus.

Résumé des caractéristiques PAM :