Lavorazione laser di materiali difficili da tagliare: opportunità di ricerca e indicazioni per il futuro: una revisione completa

 Astratto

  Leghe ad alta resistenza come nichel e titanio e materiali ingegneristici avanzati come la ceramica, i compositi sono in fase di sviluppo e ampiamente utilizzati nelle industrie aerospaziale, automobilistica, medica e nucleare per le sue intrinseche proprietà fisico-meccaniche. Tuttavia, la conversione di questi nuovi materiali in prodotti ingegneristici è sempre associata alla lavorazione. Le caratteristiche di lavorabilità, quali maggiore forza di taglio, maggiore temperatura di taglio, scarsa integrità della superficie e minore durata dell'utensile associata a questi materiali, pongono molte sfide ai ricercatori e quindi sono considerate difficili da tagliare. I metodi convenzionali di lavorazione di questi materiali si rivelano antieconomici. Negli ultimi giorni, sono stati fatti molti tentativi per migliorare la lavorabilità di questi materiali in modo più efficace tramite l'utilizzo di lavorazioni esterne a energia assistita. Tra i vari metodi di lavorazione esterna assistita da energia, la lavorazione laser assistita (LAM) ha ricevuto l'attenzione dei ricercatori nel settore del taglio dei metalli e alcune ricerche sono state condotte negli ultimi anni. Questo documento ha lo scopo di esaminare e sintetizzare il potenziale uso di LAM per materiali difficili da tagliare, progressi attuali, vantaggi e sfide nella lavorazione laser assistita. Inoltre, non è riportato un quadro di ottimizzazione per studiare l'effetto dei parametri laser e dei parametri del processo di lavorazione sulle prestazioni di lavorabilità ai processi industriali. Si conclude che sono necessari ulteriori modelli sperimentali e tecniche empiriche per creare modelli predittivi che diano buoni risultati accordo con esperimenti affidabili, mentre spiega gli effetti di molti parametri, per la lavorazione di questi materiali difficili da tagliare.

1. Introduzione

  Negli ultimi decenni sono stati sviluppati materiali avanzati quali superleghe in titanio e nichel, leghe ferrose, ceramiche, materiali compositi e leghe di cobalto-cromo per applicazioni ad alta resistenza e resistenti al calore che includono industrie automobilistiche, aerospaziali, nucleari, mediche ed elettroniche [1 , 10].

  Questi materiali sono caratterizzati da un eccellente rapporto resistenza / peso, forte resistenza alla corrosione e capacità di mantenere un'elevata resistenza alle alte temperature. Questi materiali hanno tutti una resistenza e una tenacità superiori rispetto al materiale tecnico convenzionale. Tuttavia, le applicazioni di questi materiali non sono attualmente in crescita perché ciò fa la metà del costo finale del prodotto per la conversione di un componente finale [1, 2]. Questo è attribuito alla bassa velocità di taglio, minore profondità di taglio a causa dell'usura eccessiva dell'utensile. Pertanto questi materiali sono considerati materiali difficili da tagliare. Si verificano molti problemi durante la lavorazione, come la generazione eccessiva di calore nella zona di taglio e l'elevato attrito tra l'interfaccia dell'utensile, la tendenza alla formazione del BUE e il fallimento catastrofico del tagliente [3,4,5]. Ciò potrebbe avere un effetto significativo delle prestazioni del processo di lavorazione come scarsa lavorabilità, elevati costi di lavorazione e bassa produttività. A causa delle caratteristiche intrinseche del materiale difficile da tagliare, i metodi di lavorazione tradizionali come la fresatura o la tornitura si stanno dimostrando inefficienti. Una serie di processi di lavorazione innovativi come la lavorazione dell'abrasivo, la lavorazione laser, la produzione di scariche elettriche, la lavorazione chimica, i metodi di lavorazione termicamente assistita come la lavorazione laser assistita, la lavorazione assistita da plasma sono attualmente applicati a questi materiali. Tra i molti approcci, un approccio, che sta diventando sempre più popolare con materiali difficili da lavorare, è la lavorazione assistita da laser (LAM) grazie ai suoi maggiori benefici, alla notevole crescita della tecnologia e alla redditività commerciale.

In questo contesto, questo documento evidenzia gli attuali progressi e le sfide in LAM in relazione all'effetto dei parametri laser e dei parametri di lavorazione sull'efficienza del processo di materiali difficili da tagliare.

2.Laser Assisted Machining - Panoramica

  La lavorazione laser assistita è un metodo ibrido che utilizza un laser ad alta potenza per riscaldare localmente il pezzo prima della rimozione del materiale con un utensile da taglio tradizionale. A temperature elevate, la resistenza allo snervamento di un materiale fragile diminuisce al di sotto della resistenza alla frattura, modificando il comportamento di deformazione del materiale da fragile a duttile. Anche a temperature elevate, la resistenza allo snervamento di materiale forte e duttile diminuisce, riducendo così le forze di taglio e l'usura degli utensili, oltre a migliorare la qualità della superficie [6]. La figura 1 mostra uno schema di lavorazione laser assistita.

  Due principali sorgenti laser sono ampiamente utilizzate negli esperimenti LAM: laser CO2 e laser Nd: YAG. Quest'ultimo, avendo una lunghezza d'onda più corta, ha una migliore assorbenza. Il laser a CO2 ha meno benefici sulla maggior parte dei materiali difficili da tagliare come Inconel, acciaio temprato e materiali compositi rispetto a Nd: YAG a causa della bassa assorbenza dell'energia laser [7,8,9]. Gran parte della ricerca è stata focalizzata sui vantaggi di LAM e ha affrontato le sfide nella lavorazione convenzionale. Ma i risultati di lavorazione di LAM dipendono sia dai parametri del processo di lavorazione che dai parametri laser. I principali parametri operativi associati alla lavorazione laser assistita sono: potenza laser, diametro spot del raggio laser, velocità di taglio, velocità di avanzamento e profondità di taglio. L'impostazione ottimale per LAM è difficile a causa dei numerosi parametri di controllo e delle loro interazioni. Inoltre, è necessario uno studio statistico basato sulla progettazione di esperimenti per studiare l'effetto del parametro LAM ottimale e le loro interazioni sono carenti nella pubblicazione.

  3.Effetto dei parametri del laser e dei parametri di lavorazione su materiali difficili da lavorare

  Recentemente, LAM ha identificato un'area importante di ricerca e applicata a molti materiali ad alta resistenza e alta durezza. Per realizzare i massimi benefici di LAM, è necessario comprendere l'effetto di interazione dei parametri di processo laser su diversi materiali del pezzo e i livelli ottimali per ottenere una forza di taglio inferiore, costi di lavorazione bassi e qualità della superficie [7]. La temperatura superficiale del pezzo, la velocità di taglio, l'avanzamento, il taglio della profondità, il diametro del laser, la distanza dell'elettrocatetere, la lunghezza focale hanno un ruolo significativo nel processo LAM per evitare danni superficiali e guasti prematuri degli utensili da taglio. In questa sezione vengono esaminati i parametri del laser degli effetti insieme ai parametri di lavorazione su diversi materiali difficili da tagliare.

  3.1 Leghe di titanio

  Le leghe di titanio sono materiali interessanti nelle industrie aerospaziale, automobilistica, biomedicale, nucleare e delle turbine a gas, grazie alle sue eccellenti proprietà fisico-meccaniche come eccellente rapporto resistenza / peso, forte resistenza alla corrosione e capacità di trattenere un'elevata resistenza alle alte temperature [10,11 , 12]. Queste proprietà unitamente al basso modulo elastico, bassa conduttività termica, elevata resistenza e durezza a temperatura elevata e reattività chimica con utensili da taglio rendono estremamente difficile la lavorazione di questi materiali con conseguente riduzione della durata dell'utensile [10]. Bassa velocità di taglio e minore durata dell'utensile che comportano costi di lavorazione più elevati per queste leghe [11]. Alcuni tentativi di ricerca sono stati fatti per analizzare la lavorabilità tramite lavorazione assistita criogenica a secco per aumentare la velocità di taglio e la durata dell'utensile. Gli studi rivelano che la lavorazione assistita da criogenia offre un sostanziale miglioramento della durata dell'utensile rispetto alla lavorazione a secco [12]. La combinazione di bassa alimentazione / elevata profondità di taglio migliora la durata dell'utensile di 6 volte rispetto all'alta velocità di avanzamento / bassa profondità di taglio a una velocità di taglio costante di 125 m / min con l'uso di azoto liquido come refrigerante [13,14]. A causa della notevole crescita della lavorazione assistita a laser, si è cercato di migliorare la lavorabilità del titanio [7,8]. A velocità di taglio più elevate, LAM ha ridotto la durata dell'utensile grazie all'usura per diffusione alla temperatura di rimozione del materiale di 250 ° C rispetto alla lavorazione convenzionale [15]. Tuttavia, LAM beneficia di queste leghe tramite la lavorazione ibrida di LAM nella lavorazione criogenica [15] e ha riportato la durata massima dell'utensile, in termini di MRR a causa della minore temperatura dell'interfaccia dell'utensile, minore attrito tra utensile da taglio e pezzo. È stato osservato che gli inserti di taglio in metallo duro rivestiti TiAlN offrono un risparmio complessivo della durata dell'utensile durante la lavorazione LAM e ibrida [15].

Ulteriori ricerche sono state condotte sui vantaggi degli inserti da taglio in carburo non rivestiti con refrigeranti criogenici per studiare la vita utensile e il meccanismo di usura durante la rotazione di Ti-6Al-4V ad alta velocità (125 m / min). Il risultato rivela che la lavorazione con refrigeranti migliora in modo significativo la durata dell'utensile del 235% rispetto al solo LAM e si è riscontrato che il refrigerante sopprime l'adesione, l'usura di diffusione che migliora significativamente la vita dell'utensile [16]. Tuttavia, i ricercatori si concentrano sul potenziale del LAM nell'applicazione industriale mediante analisi critica dell'effetto del raggio laser sulla forza di taglio e sulla temperatura di taglio e hanno comportato una significativa riduzione della forza di taglio (15%) [17]. È stato osservato che con l'aumento dell'energia laser (tra 1200 W-1600 W e raggio laser di 2-3 mm), si riscontra una riduzione del 10% della forza di taglio in un intervallo di velocità di taglio di 25 - 125 m / min e anche osservato una vita utensile più corta alla velocità di taglio > 150 m / min. Lo studio sulla morfologia del chip su LAM rivela che la formazione del truciolo dipende fortemente dalla velocità di taglio e dalla potenza del laser [18]. È stato osservato che a energia laser costante, il passaggio dal dente di sega al truciolo continuo e viceversa a una maggiore velocità di taglio.

La tabella 1 riassume le ultime ricerche sulla lavorazione laser assistita delle leghe di titanio.

  3.2 leghe a base di nichel

  Leghe a base di nichel come Inconel, Hastelloys, Waspaloys e Udimet sono altri materiali interessanti rispetto alle leghe di titanio utilizzate nelle industrie aerospaziali e nucleari come turbine a gas, motori a reazione e serbatoio di spinta a causa di proprietà chimiche e meccaniche a temperatura elevata [10]. A causa dell'alta temperatura nella zona di taglio a 1200˚C, chimico

Tabella 1 Riepilogo della lavorazione laser delle leghe di titanio

reattività con la maggior parte degli utensili da taglio e presenza di particelle abrasive dure come TiC, CrC, MoC in microstruttura che rendono difficile la lavorazione di queste leghe e favorisce l'usura abrasiva. Ciò si traduce in bassa velocità di taglio, minore durata dell'utensile, scarsa qualità della superficie e quindi elevati costi di lavorazione [19,20].

  Negli ultimi anni, LAM è stato utilizzato per migliorare la lavorabilità su leghe a base di nichel. Poiché la durezza di Inconel è deceduta rapidamente sopra 600 ° C -700 ° C e quindi la temperatura di rimozione del materiale (Tmr) del materiale del pezzo da lavorare non deve essere elevata a differenza di LAM della ceramica. A causa della bassa assorbenza dei metalli, un laser ad alta potenza è stato utilizzato su Inconel 718 nelle fasi iniziali [19]. Anderson et al, hanno riferito che la velocità di assorbimento di Inconel 718 può essere migliorata tramite l'adesivo in grafite sulla superficie per il laser a CO2 ei risultati sono dimostrati. Tuttavia, il rivestimento applicato non può sostenere se stesso ad alta temperatura e più unità laser vengono utilizzate simultaneamente sulla superficie non rivoltata e sulla superficie dello smusso per migliorare la lavorabilità [20]. Energia laser ad alta potenza, diametro del raggio laser ridotto, velocità di avanzamento ridotta e tempo di preriscaldamento più ampio potrebbero comportare la necessità di Tmr sul pezzo da lavorare [21]. D'altra parte, insieme a Tmr, la velocità di avanzamento ha il più alto fattore di influenza sull'energia di taglio specifica. Poiché l'energia del laser riscalda la superficie del materiale a 540 ° C per Inconel 718 [20] e tra 300-400 ° C per Waspaloy [23], l'usura media del fianco e l'usura dell'intaglio diminuiscono con l'aumentare della velocità da 60 m / min a 180 m / min per Inconel 718 e per Waspaloy.

L'integrità della superficie lavorata (rugosità, danno superficie / sotto-superficie, tensioni residue, micro durezza), in particolare la rugosità superficiale è leggermente migliorata con l'uso di inserti ceramici in LAM rispetto alle lavorazioni convenzionali [22]. Un'analisi comparativa degli inserti in ceramica e metallo duro con LAM è stata sperimentata e ha determinato che la durata dell'inserto in carburo non rivestito è inferiore rispetto alla lavorazione convenzionale [22]. Ulteriori esperimenti condotti con lo strumento di taglio Sailon hanno riportato che la rugosità superficiale è migliorata del 25% per lo strumento ceramico che ha prodotto il risultato favorevole nonostante la precedente ricerca associata a una scarsa qualità della superficie [21]. Inoltre, il LAM ha prodotto un notevole aumento del tasso di rimozione del materiale. Lo strumento ceramico Sailon ha dimostrato un aumento dell'800% del tasso di rimozione del materiale e del 50% della durata dell'utensile rispetto alla lavorazione convenzionale. La tabella 2 riassume le ultime ricerche sulla lavorazione laser assistita di leghe a base di nichel.

Tabella 2 Riepilogo della lavorazione laser di superleghe a base di nichel

  3.3Ceramics

  Ceramiche strutturali avanzate come la mullite, la zirconia, l'allumina e il nitruro di silicio sono identificate come un altro materiale attraente grazie alle sue proprietà di compressione [24,26,27,28]. A causa della loro bassa densità, resistenza all'usura superiore e resistenza alle alte temperature, questi sono solitamente impiegati nella produzione di componenti critici nel settore automobilistico e aerospaziale. La maggior parte delle ricerche passate su LAM sono state condotte su questo materiale a causa della loro durezza e fragilità [24, 25]. È stato riscontrato che lo strumento di taglio PCBN mostra uno strumento più lungo (diciamo 121 min) quando LAM su ossido di zirconio con un Tmr di 900 ° C -1100 ° C [27] e un inserto in metallo duro è stato utilizzato per LAM su allumina a 850 ° C [ 29] e mullite (diciamo 44 min) [28]. Tre meccanismi di usura dominanti come l'abrasione, l'adesione e la diffusione sono attribuiti all'usura degli utensili e dipendono fortemente dalla temperatura di rimozione del materiale [27]. Pertanto, è necessario trovare la temperatura ottimale per la rimozione del materiale per una maggiore durata dell'utensile [26]. Tuttavia, trovare la Tmr ottimale è difficile a causa della complessità dei parametri di influenza e delle loro interazioni reciproche.

  La forza di taglio e l'energia di taglio specifica si riducono con l'aumentare della temperatura superficiale con l'energia del laser quando LAM su ceramica, ma non influenza in modo significativo la distanza dell'elettrocatetere del laser [25,27,28]. L'influenza della velocità di taglio sulla forza di taglio è insignificante, ma in caso contrario la velocità di avanzamento [28,29]. Il rapporto di forza come forza di alimentazione / forza di taglio è risultato in diminuzione su zirconia [28] e mullite [29] a Tmr superiore che indica l'evidenza di un significativo ammorbidimento del pezzo in lavorazione vicino alla zona di taglio e alla deformazione quasi plastica. Si osserva che la velocità di taglio ha l'influenza più significativa sulla ruvidità della superficie seguita dalla velocità di avanzamento e dal taglio di profondità [30].

  Quando si esamina la morfologia del truciolo, si è riscontrato che la temperatura di rimozione del materiale e il rapporto di forza (Ff / Fc < 1) svolgono un ruolo chiave durante la formazione del truciolo rispetto ad altri parametri [25,26]. Per la temperatura del pezzo in lavorazione nell'intervallo di 1260 ° C-1410 ° C, basata sulla ricerca SEM del chip ottenuto, Lei [25] ha osservato che la deformazione plastica del nitruro di silicio nella zona di taglio veniva continuata dalla maggiore mobilità dell'asta- come i granuli di silicio che è facilitato da una riduzione della viscosità della fase vetrosa inter granulare alla temperatura più elevata.

Per la mullite, Patrick ha sviluppato una configurazione sperimentale laser a doppia rampa per prevenire la frattura termica del pezzo a causa della bassa diffusività termica, della resistenza alla frattura e della resistenza a trazione del materiale poroso, rispetto al nitruro di silicio [28] e dedotta in tre diversi meccanismo come la frattura fragile e il chip semicontinuo per (Ff / Fc > 1) e la finestra operativa della temperatura di lavoro di 800˚C-1000 ˚C per la formazione continua del truciolo per (Ff / Fc < 1) e la finestra operativa della temperatura di lavoro maggiore di 1300 ° C. Questo segno non viene osservato quando LAM su ossido di zirconio [28], ma si verifica una deformazione plastica durante la formazione del truciolo insieme a una frattura fragile. La rugosità superficiale, non è sensibile alla temperatura di rimozione del materiale durante il LAM del nitruro di silicio [25], ma dipende dalla dimensione e dalla distribuzione dei grani di nitruro di silicio e della zirconia [25,27]. Le incrinature locali vengono presentate sui processi del materiale prima della zona interessata dal calore e rimangono nel sottosuolo quando il suo spessore di criccatura è maggiore della profondità di taglio [27]. Pertanto, è necessario controllare la temperatura di rimozione del materiale per produrre una superficie priva di crepe durante il LAM. La tabella 3 riassume le ultime ricerche sulla lavorazione laser assistita della ceramica.

  3.4 Leghe ferrose

  Gli acciai duttili a basso tenore di carbonio, l'acciaio inossidabile e l'acciaio temprato sono stati classificati in materiali difficili da lavorare a base di ferro e hanno trovato applicazione in ambito automobilistico come ingranaggi, alberi a gomito e blocchi motore [10]. Tuttavia, la lavorazione meccanica di questi componenti automobilistici presenta un grosso problema, a causa dell'elevata durezza e della resistenza alla frattura con la tecnologia di lavorazione tradizionale [31]. Il concetto di tecnica di tornitura dura si riferisce a questi acciai la cui durezza oltre 45 HRC. Questa tecnica elimina il processo secondario come la macinatura e il trattamento termico che contribuiscono fino al 60-90% del costo finale del prodotto lavorato [33]. Tuttavia, un'indagine sperimentale con LAM è stata condotta su acciaio AISI D2 [31], ferro grafitato compattato [32], acciaio AISI 4130 [33], ghisa bianca ad alto cromo [34] e acciaio XC42 [35], in ordine ridurre il costo complessivo di lavorazione e aumentare la produttività sostituendo il processo di rettifica e la tornitura dura.

Tabella 3 Riepilogo della lavorazione laser assistita della ceramica

  Si osserva che la distanza dell'utensile laser ha l'influenza più significativa sulla forza di taglio durante la lavorazione di acciaio XC42 temprato rispetto al metodo di taglio convenzionale con la riduzione maggiore del 65% per la forza di taglio radiale e dell'85% per la forza di alimentazione [35 ]. I risultati degli esperimenti hanno confermato che la distanza dell'utensile laser è un fattore critico per il successo della lavorazione laser assistita [34]. Questo perché la temperatura in superficie diminuisce man mano che la distanza tra il punto laser e l'utensile da taglio aumenta e impiega più tempo a dissipare il calore nel pezzo da lavorare.

  In LAM in acciaio AISI D2 non solo viene ridotta l'entità della forza di spinta, ma si riduce anche la variazione di ampiezza della forza di taglio, che è attribuita alla maggiore riduzione delle vibrazioni della macchina. Ciò è dovuto alla maggiore durata del ciclo di riscaldamento e alla distribuzione del raggio laser [31]. La temperatura di preriscaldamento quando LAM del ferro grafitato compattato è influenzata in modo significativo dalla potenza del laser e dalla velocità di avanzamento [33]. Si è riscontrato che con l'assistenza del calore del laser, l'usura sul fianco e il fallimento catastrofico degli utensili in metallo duro si riducono e migliorano la durata dell'utensile fino al 100% per LAM di acciaio D2 [31], a causa dell'ammorbidimento del pezzo in lavorazione di circa 300˚ C-400˚C per lo spessore del chip non tagliato di 0,05 mm e un BUE stabile che protegge il tagliente durante il LAM. Tuttavia, la durata dell'utensile durante la lavorazione della ghisa di grafite compattata è influenzata in modo significativo dalla velocità di avanzamento [32]. Negli acciai temprati, le tensioni residue diventano più compressive e la profondità di penetrazione delle sollecitazioni diventa più piccola rispetto al taglio convenzionale [33]. A differenza della lega di titanio, la morfologia del chip cambia forma: il chip del dente segato al chip continuo quando LAM dell'acciaio D2 a causa della maggiore temperatura superficiale [31]. La formazione di trucioli di seghe nella lavorazione è una delle cause principali delle vibrazioni e ha scoperto che preriscaldare il pezzo in lavorazione in LAM comporta una drastica riduzione dell'ampiezza delle vibrazioni e delle vibrazioni [31,32]. La Tabella 4 riassume le ultime ricerche sulla lavorazione laser assistita delle leghe ferrose.

Tabella 4 Riepilogo della lavorazione laser delle leghe ferrose

  3.5Composite

  I materiali compositi sono di natura disomogenea, solitamente formati dalla dispersione di particelle, fibre e baffi in una matrice. L'incorporazione di particelle / fibre rinforzate rinforzate migliora le proprietà come l'adesione, l'abrasione, la resistenza all'usura per diffusione, le proprietà termiche, la durezza e la rigidità. La sfida intrinseca della lavorazione di questi materiali compositi è l'eccessiva usura degli utensili e il conseguente danneggiamento del pezzo. La scarsa lavorabilità è dovuta a fibre estraibili, delaminazione, fibre non tagliate, alta deviazione dimensionale e elevata rugosità superficiale [10].

  L'addolcimento della matrice Al da parte dell'energia laser, che diventa più morbida e plastica, porta a una significativa riduzione dei componenti di forza rispetto alla lavorazione convenzionale. Sulla base dell'analisi microscopica, Wang [36] ha inferito che la matrice ammorbidita è facilmente estratta dalla superficie lavorata mentre la particella Al2O3 viene spinta dalla superficie lavorata, il che porta a una maggiore concentrazione (37%) di particelle di Al2O3 nella superficie lo strato aumenta la resistenza all'usura della superficie lavorata. Ciò ha comportato una finitura superficiale migliorata e una maggiore durata dell'utensile. Le sollecitazioni residue compressive più elevate (3 volte rispetto alle lavorazioni convenzionali) sono riportate con LAM. Tuttavia, Barnes et al., Hanno studiato l'effetto della lavorazione a caldo (200 - 400 ° C) degli MMC Al / SiCp / 18P e hanno riscontrato una maggiore durata dell'utensile a causa dei bordi accumulati a bassa velocità di taglio [37]. Ma con una temperatura del pezzo più alta, la barra composita mostra una durata utensile inferiore rispetto alla lavorazione convenzionale.

  Ulteriori ricerche su MMC particolato (Al / SiCp / 20) sono state condotte per studiare l'effetto della temperatura del pezzo insieme a diversi intervalli di velocità di taglio (a velocità di taglio inferiore e superiore) e i risultati indicano che la rugosità superficiale (37%), durata utensile (40% a 150-200m / min rispetto al 57% a 50-100m / min) e la profondità di danneggiamento dipendono dalla velocità di taglio rispetto alla lavorazione convenzionale definendo i criteri di rugosità superficiale come 2 μm [3]. L'effetto della temperatura del pezzo su danni sub-superficiali è relativamente indipendente a causa del piccolo intervallo di Ft / Fc. Tuttavia, LAM su Al / Al2O3 / 60f mostra danni osservabili in termini di estrazione della fibra è diminuisce con l'aumento della temperatura di rimozione del materiale. La velocità di avanzamento ha un effetto negativo sulla durata dell'utensile e sulla ruvidità della superficie insieme alla temperatura di rimozione del materiale di 300 ° C [39]. La Tabella 5 riassume le ultime ricerche sulla lavorazione laser assistita dei materiali compositi.

Tabella 5 Riepilogo della lavorazione laser dei materiali compositi

  3.6. Taglio di materiali per utensili utilizzati in materiali difficili da lavorare

La sfida intrinseca durante la lavorazione di questi materiali difficili è che l'utensile da taglio selezionato deve resistere alle sollecitazioni meccaniche e termiche ad alta temperatura. I diversi tipi di utensili da taglio, ceramiche, inserti in metallo duro rivestiti, CBN, PCD, PCBN sono impiegati in LAM. PCBN è usato per LAM di nitruro di silicio [25] e Zirconia [27], inserto di carburo per allumina [29] e mullite [28]. Tuttavia, la vita utensile più lunga è osservata in PCBN rispetto al carburo quando LAM di Zirconia nelle condizioni di prova. Il meccanismo di usura più comune osservato sulla lavorazione laser assistita della zirconia con PCBN è l'abrasione, la diffusione e l'adesione [27]. Ma l'usura abrasiva e diffusiva non è osservata in LAM di nitruro di silicio [25,30] rispetto alla zirconia [27] a causa della bassa duttilità e della diffusività termica della zirconia. Il PCD non è adatto per LAM su ceramiche di zirconio. Sulla base delle ricerche condotte e studiate su diversi tipi di utensili da taglio Ti-6AL-4V [15] e Inconel 718 leghe [20], è stato riportato che gli inserti in metallo duro rivestiti TiAlN sono lo strumento più appropriato per LAM per il miglioramento della rugosità superficiale. Gli inserti ceramici sono considerati uno strumento alternativo per la lavorazione di leghe a base di nichel [10, 22] per una maggiore durata dell'utensile e non sono adatti per le leghe di titanio a causa della reattività chimica, della scarsa conduttività termica e della bassa tenacità. Inserti in carburo SPG 422 di Kennametal K68 [31] Gli inserti da taglio con rivestimento TiN o non patinato sono utilizzati per il taglio di acciaio temprato e materiali compositi. Nel caso di LAM di compositi, gli inserti in metallo duro vengono utilizzati per risultati favorevoli in termini di velocità di asportazione del materiale, migliore integrità della superficie e maggiore durata dell'utensile a velocità di taglio più elevata [38, 39].

  4.Scope per l'ottimizzazione del processo LAM

  I vantaggi di LAM rispetto alle lavorazioni convenzionali hanno attratto molte ricerche sul miglioramento della fattibilità e dei vantaggi della lavorabilità materiali difficili da tagliare. Pochi studi sono stati studiati sistematicamente per selezionare il valore ottimale del parametro LAM per ottenere la forza di taglio minima, un MRR ragionevolmente buono e l'effetto del tipo di materiali per utensili da taglio sul meccanismo di usura. Tuttavia, il valore ottimale dei parametri LAM dipende sia dai parametri laser che dai parametri di lavorazione. È difficile trovare i parametri di lavorazione ottimali a causa della complessità dei parametri di influenza e dei loro effetti di interazione. Questa recensione si è concentrata sulla caratterizzazione del processo di lavorazione laser assistito identificando il modo in cui i singoli parametri influiscono sui risultati di lavorazione. A causa della complessità, un progetto di esperimenti basato sulla staticità è necessario per studiare l'effetto dei parametri laser sui risultati di lavorazione e il loro effetto di interazioni reciproche per prevedere l'impostazione ottimale del parametro LAM. Di solito le prestazioni di un processo di lavorazione sono spesso caratterizzate da un gruppo di risposte. Se si prende in considerazione più di una risposta, è molto difficile selezionare l'impostazione ottimale che può soddisfare simultaneamente tutti i requisiti di qualità. In caso contrario, l'ottimizzazione di una funzione di qualità può comportare una perdita di qualità grave rispetto ad altre caratteristiche di qualità che potrebbero non essere accettate. Quindi l'approccio di ottimizzazione simultanea può essere implementato nel processo LAM.

5. conclusione

  In questo studio, è stato fatto un tentativo di revisione dettagliata della lavorazione laser assistita di materiali difficili da tagliare. I risultati della revisione sono riassunti come segue:

  1. È evidente che la lavorazione laser assistita può essere utilizzata per aumentare l'efficienza del processo di materiali con difficoltà di taglio rispetto ai metodi convenzionali.

  2. Tuttavia, è ancora necessaria una maggiore ricerca in questo settore per avere una buona comprensione del meccanismo di rimozione dei materiali di processo e per selezionare il parametro di processo nel modo corretto.

  3. I modelli basati sulla simulazione devono essere sviluppati per analizzare la distribuzione della temperatura in materiale, che è necessario per ridurre la resistenza meccanica.

  4. Gli studi riportano solo l'effetto parametrico sulla lavorazione di questi materiali difficili da tagliare. Tuttavia, l'influenza simultanea sui fattori di variazione per ottenere studi di lavorazione favorevoli non è stata esplorata bene in modo completo.

  5. È necessario condurre ulteriori ricerche sulla selezione ottimale dei parametri di processo delle dimensioni del fascio, della potenza del laser, dei parametri di taglio come velocità di taglio, velocità di avanzamento, profondità di taglio e altri fattori per ottenere la produttività complessiva. Gli attuali interessi di ricerca includono anche l'esplorazione degli effetti dell'influenza simultanea dei parametri di lavorazione mediante metodi sperimentali ed empirici.

  6. La maggior parte delle recenti ricerche su LAM sono state in gran parte focalizzate sulla tornitura assistita da laser. Tuttavia, altri processi di lavorazione come la fresatura, la foratura e la rettifica svolgono un ruolo vitale nei sistemi di produzione.