دانلود تحقیق روشهای ماشین کاری نوین بوسیله جت لیزر و اصول ماشین کاری

مقدمه
ماشینکاری لیزر بر اساس اصولی است که اخیرا کشف شده‌اند لیزر یک نام اختصاری به معنی تقویت نو با انتشار بر انگیخته تابش است.

فرآیند به برخورد یک اشعه نور تکرنگ همفاز جهت دار و شدید به قطعه کاری که ماده به وسیله تبخیر از آن خارج می‌شود بستگی دارد.

توضیح پدیده اتمی که در ضمیمه ارائه شده مبنای مفیدی برای فراگیری اثرات لیزر است.

شناولا و تانز در سال 1958 برای اولین بار لیزر را مطرح کردند.

آنها یک تداخل سنج فابری- پرت که مثل یک جعبه تشدید عمل می‌کرد در نظر گرفتند.

هماطور که در شکل 105 مشخص است این دستگاه اساسا از دو آینده نیمه نقره اندود موازی و تخت تشکیل شده که در بین آنها یک شعاع نور تکرنگ چندین با بازتابش می‌شود.

فضای بین آینده‌ها به یک میحط تقویت کننده، ملکولهای گاز بر انگیخته شده تا سطوح بالاتری انرژی، پر می‌شود.

ماکنیزم تقویت در قسمت 305و 405 بحث خواهد شد.

نور پس از بازتابش به وسیله آینه‌ها درون گاز برانگیخته درون گاز بر انگیخته، در جهت موازی به محور تداخل سنج منتشر شده و به این ترتیب نور تقویت می‌شود.

البته به شرط اینکه در بازتابشهای فلز آن تغییر نکند.

رشد موج نور در محیط با موج رشد یابنده W1 که در شکل 1.5 از آینده M1 به سمت راست حرکت می‌کند نشان داده می‌شود.

پس از بازتابش از آینه M2 یک موج رشد یابنده دیگر M2 که در جهت عکس حرکت می‌کند ایجاد می‌شود.

آینه M2 نیز کمی جابه جا می‌شود.

بنابراین اشعه نوری که از آن منتشر می‌گردد تحت زاویه نسبت به محور واگرا است.

(1.5)
قطر آینه است.

مثلا اگر یا 22s قوس خواهد بود.یعنی نور انتشاری کاملا همراستا است.

و اگرایی اشعه را می‌توان با استفاده از عدسیهای مناسب کنترل کرد.

می‌توان قطر آن را روی سطوح گسترده تری متمرکز کرد.

مثلا لیزر یاقوت (قسمت 5.5.4) با لامپ فلاش برانگیخته شده، 1kj انرژی الکتریکی را در 1ms منتشر می‌کند.

اشعه لیزری با انرزی 3j در6934A با سطح مقطع 5mm واگرایی 10-3rad تولید شده است.

این اشعه در حالت متمرکز شدت توان 1MWcm-2 را ایجاد می‌کند.

حداکثر همسویی یا همدوسی فضایی مجموعه اشعه باپراش آینه‌های مورد نظر شاولاو وتانز توجه بیشتری را جلب کرده است.

برای دستیابی به اشعه نور کاملا همراستا پدیده‌های فیزیک و مرتبط به انتشار تابش بررسی شدند.

ابتدا پدیده معروف نشر خود به خود بررسی می‌شود.

نشر خود به خود تابش
هنگامی که یک اتم در حالت انرژی برانگیخته E1 به سطح انرژی پایین تر E1 می‌افتد یک کوانتم تابش با فرکانس vij منتشر می‌کند
E1- E1=hvij
H ثابت پلانک است.

می توان این اتم را با دریافت تابشی با فرکانس یکسان تحریک کرد تا این تابش را منتشر کند.

پدیده تحریک (بر انگیختگی) کمتر از انتشار خود به خود شناخته شده است.

با توجه به ارتباط زیاد آن با لیزر باید به این پدریده توجه ویژه ای داشت.

انتشار القایی
نرخ پرشهای تابش القایی منتاسب با شدت انرژی تابشی uvij و اختلاف جمعیت (تعداد بر واحد حجم) اتمها بین حالتهای بالاتر و پایین تر است.

تابش القایی و تابش تحریک کننده دارای مشخصات قطبی و سمتی یکسانی هستند
این فرآیند پایه پدیده لیزری است.

از کارهای این اشتاین بر روی واکنش ماده وتابش (به ضمیمه مراجعه کنید) می‌توان اطلاعات بیشتری کسب کرد.

او نشان داد که تعریف درست این واکنش نیازمند بررسی شرایط القاء یک اتم براگیخته به وسیله تابش برای نشر فرتون، که باعث پایین آمدن سطح انرژی آن اتم می‌شود، است.

یک سیستم اتمی کمی شده که دارای سطوح، ....1.2.3 و انرژی این سطوحٍٍE3.2 E.E1 است در نظر بگیرید.

تعداد اتمها در واحد حجم (جمعیت) در این سطوح .....N1 N2 N3 است.

اگر سیستم اتمی یا تابش گرمایی در دمای T در تعادل باشد آنگاه جمعیتهای نسبی در هر دو سطح، مثلا 1و 2، با معادله یولتزمن تعریف می‌شود:
(3.5)
K ثابت بولتزمن است.

اگر آنگاه
اتم با انتشار یک فرتون از سطح 2 به سطح 1 افت می‌کند.

اگر A21 احتمال انتقال از سطح 2 به سطح 1 در واحد زمان انتشار القایی باشد.

آنگاه تعداد افتهای خود به خود در هر ثاینه N2 A21 خواهد بود.

علاوه بر این پرشهای خود به خود، انتقالهای برانگیخته و القایی نیز اتفاق می‌فتد.

سرعت کلی این انتقالهای القایی بین سطح 2 و 1 با شدت انرژی uv تابش با فرکانس v متناسب است:
(4.5)

H ثابت پلانک است.

فرض کنیم B21 و B12 ثابتهای تناسب برای انتشار القایی هستند.

تعداد انتقالهای القایی یا انتشارها در جهت پایین در ثانیه عبارت است از N2 B21 uv
به طور مشابه تعداد انتقالهای القایی (جذب) در جهت بالا در ثانیه عبارت است از:
(6.5) N1 B21 uv
ثابتهای تناسب Aو B ضرایب این اشتاین نامیده می‌شوند.

در معادله نرخ خالص انتقالها در جهت پایین و بالا برابر هستند.

بنابراین:
(7.5)
این معادله را می‌توان به صورت زیر نوشت:
از معادله 3.5 داریم: برای اینکه معادله با قانون تابش پلانک (رابطه زیر): موافقت داشته باشد باید روابط زیر حاکم باشند: هنگامی که اتمها با تابش گرمایی در تعادل هستند.

نسبت سرعتهای انتشار القایی و خود به خود با معادله زیر به دست می‌آید.: سرعت القایی با قرار دادن مقادیر h و k و برای منابع نوری معمولی که دمای T حدود 1000k است سرعت انتشار القایی در قسمت قابل رویت طیف بسیار کوچک است.

یعنی در این منابع بیشتر تابش بر اساس انتقالها و کنشهای خود به خود منتشر می‌شود و از آنجا که این کار به صورت نامنظم انجام می‌گردد بنابراین منابع تابش قابل رویت ناهمدوس هستند.

در مقایسه در لیزر شدت تابش به صورتی است که انتقالهای القایی کاملا غالب بوده و تابش انتشاری بسیار همدوس است.

همچنین تابش طیفی لیزر در فرکانس کاری آن بسیار بیشتر از نور معمولی است.برای دستیابی به این اثر لیزرها شرایط جدیدی که وارنگی جمعیت نامیده می‌شود مورد نیاز است.

محیط نوری که شامل اتمهایی در سطوح انرژی مختلف .....E1 E2 E3 بوده و است در نظر بگیرید .

سرعتهای انتشار القایی وجذب مربوط به این دو سطح متناسب است با N2B21 و N1 B12 از آنجا که B21=B12 است اگر باشد.

آنگاه سرعت انتقال القایی در جهت پایین بیش از سرعت انتقال در جهت بالا است.

یعنی در صورتیکه جمعیت حالت بالاتر بیش از جمعیت حالت پایین تر باشد.

این حالت وارونگی جمعیت نامیده شده و به طور مشخص با توزیع تعادل گرمایی بولتزمن مخالف است.

(با معادله 3.5 مقایسه کنید) اگر وارونگی جمعیت و جود داشته باشد می‌توان افزایش شدت اشعه نور را در حین عبور از محیط نشان داد.

یعنی به علت اینکه دریافت بر اثر انتشار القایی بیشتر از دست دادن انرژی بر اثر جذب است اشعه تقویت میشود تابش القایی هم جهت با اشعه اولیه منتشر می‌شود.

این دو رابطه فازی مشخص دارند.

یعنی تابشهای اولهی والقایی همدوس هستند.

روشهای متعددی برای به دست آوردن وارونگی جمعیت وجود دارد: (الف) پمپاژ نوری (مثل لیزر یاقوت) یک منبع نور خارجی برای تولید جمعیت زیاد سطح انرژی خاص در محیط لیزر، با جذب نوری انتخابی، به کار می‌رود.

این نوع تحریک نوری در لیزرهای حالت جامد مثل لیزر یاقوت به کار می‌رود.

(ب) تحریک مستقیم الکترون (مثل لیزر آرگون) در لیزرهای یون گاز (مثل آرگون) برای ایجاد وارنگی جمعیت از تحرک مستقیم الکترون تخلیه گازی استفاده می‌شود.

میحط لیزر جریان تخلیه را حمل می‌کند.

در شرایط مناسب فشار و جریان، الکتروهای در تخلیه اتمهای فعال را مستقیما تحریک کرده و جمعیت بیشتری را در سطوح مشخص (نسبت به سطوح پایین تر) (ج) برخوردهای غیر الاسیتک اتم- اتم (مثل لیزر هلیم – نئون) دراین حالت ترکیبی از گازها، مثلا دو نوع مختلف A.B، با حالت برانگیخته A و B یکسان (یا تقریبا یکسان) به کار می‌روند.

ممکن است انتقال برانگیختگی بین دو اتم به صورت زیر انجام شود: اگر حالت برانگیخته یکی از اتمها، مثلاA0، شبه پایدار باشد آنگاه گاز B در میحط به صورت خروجی تحریک عمل می‌کند.

در نتیجه جمعیت حالت برانگیخته اتم B از سطوح پایین تری که اتم B بر اثر تابش به آنها افت می‌کند بسیار بیشتر است.

این حالت در لیزر هلیم – نئون به وجود می‌آید.

یک اتم برانگیخته هلیم.

یک اتم نئون را تحریم کرده وی سپس انتقال لیزر می‌فتد.

نوسان لیزر محیط تقویت کننده لیزر بین دو آینه که در دو سر یک لامپ ثابت شده‌اند قرار دارد.

اگر وارونگی جمعیت در محیط کافی باشد تابش الکترومغناطیسی به وجود آمده و به صورت یک موج پایدار بین دو آینه به کار گرفته می‌شود.

یکی از آینه‌ها کمی متحرک است.

هنگامی که قدرت تابش به حد کافی بالا می‌رود اشعه از این آینه به صورت اشعه لیزر خارج می‌شود.

انواع لیزر برای ماشینکاری انواع مختلف لیزر مورد توجه هستند.

به طور مشخص لیزرهای حالت جامد و گاز با ارزش می‌باشند.

لیزر گاز در سرهای لامپ لیزر پنجره‌های بروستر بسیار شفاف قرار دارند که به وسیله آنها لیزر خروجی به صورت خطی قطبی می‌شود.

نوسان لیزر در قطبش دلخواه ایجاد شده و بر قطبشهای دیگر (متعامد) غالب می‌گردد.منابع متعددی برای تحریک الکتریکی وجود دارند.

از جمله تخلیه جریانهای مستقیم و متناوب تخلیه جریان متناوب بسیار ساده است.

منبع انرژی یک مبدل بالای معمولی است که به آن الکترودهای سرد درون لامپ متصل هستند.

در آزمایشگاه تلفن بل، بنت و‌هاریوت برای ساخت لیزر هلیم- نئون، اولین گاز، از تخلیه فرکانس بالای بدون الکترود استفاده کردند.

در بسیاری از لیزرهای توان بالا به ویژه زمانی که وارونگی جمعیت پایدار نمی ماند از پالسهای ولتاژ بالا استفاده می‌شود.

لیزر هلیم- نئون سطوح انرژی برای این لیزر گازی معمولی نشان داده می‌شود.

اتمهای هلیم به برخورد اکترونها در تخلیه برانگیخته می‌شوند.

به علت اینکه از نظر نوری انتقال به سطوح پایین تر مجاز نیست جمعیت حالتهای شبه پایدار هلیم که با 1s 3s مشخص می‌شوند.

افزایش می‌یابد.

همانطور که مشاهده می‌شود سطوح 2s و 3s نئون نزدیک سطوح شبه پایدار هلیم هستند.

بنابر این در هنگام برخورد یک اتم شبه پایدار هلیم با اتم نئون تحریک نشده احتمال انتقال انرژی زیاد است.

این انتقال به صورت زیر بیان می‌شود: اگر شرایط تخلیه مناسب باشد، فشار کل بادی حدود 1Torrو نسبت هلیم به نئون حدود 7:1 ,وارونگی جمعیت سطوح Ne(2s) Ne(3s) اتفاق می‌افتد.

عمل اصلی لیزر درسیستم هلیم- نئون به انتقالهای زیر در اتم نئون بستگی دارد: اعداد داخل پرانتز طول موج لیزر است.

لیزر دی اکسید کربن با کشف لیزر co2:N2:He در دهه 1960، تولید سطوح انرژی پیوسته بسیار بالا با توان خروجی چند میلی وات تا چند صد وات امکان پذیر شد.

طبق نمودار سطح انرژی در انتقال لیزر دو سطح انرژی ارتعاشی (0001.1000) ملکولهای دی اکسید کربن اتفاق می‌افتد.

اختلاف بین این دو سطح طول موج خروجی را ایجاد می‌کند.

بررسیهای دقیق روشن کرده که ملکولهای نیتروژن در تخلیه به سطح ارتعاشی v=1) ) برانگیخته می‌شوند.

این سطح co2 0001 بسیار نزدیک است.

این برانگیختگی در N2 به سطح بالاتر لیزر co2 منتقل شده و باعث ایجاد ملکولهای اضافی می‌شود.

این جمعیت اضافی شرط لازم برای عمل تابش لیزر است.

هلیم در تخلیه به حفظ وارونگی کمک کرده و همچنین رسانش گرما به دیواره‌های را افزایش میدهدپس از تابش لیزر در طول موج مولکول co2 به سطح 0110 افت کرده و سپس به سطح پایه می‌رسد اجزاء اصلی در تولید اقتصادی لیزرهای co2:N2:He را نشان می‌دهد.

یک ماشین ابزار لیزر co2 صنعتی را نشان می‌دهد.

جدول 1.5 بعضی خواص لیزرهای گاز که در ماشینکاری مورد توجه هستند ارائه می‌کند.

جدول 1.5 انواع لیزرهای گاز (داده‌های فاولژ، 1975) لیزرهای حالت جامد با پمپاژ نوری اتمهای فعال محیط لیزر در یک ماده جامد، معمولا میله کریستالی یا شیشه ای با سرهای موازی و تخت که پولیش و سنگ زنی آینه ای شده‌اند قرار دارند.

برای ایجاد حفره نوری لازم ممکن است دو سر میله پوشش شوند همچنین می‌توان از آینه‌های خارجی استفاده کرد.

لامپهای فلاش گزنون و تخلیه جیوه فشار بالا منابع نور خارجی معمولی هستند که در پمپاژ نوری اتمهای فعال به کار می‌روند.

یک طرح عمومی لیزرهای حالت جامد را نشان می‌دهد.

در میله لیزر با سرهای پوشش دار داخل داخل یک لامپ فلاش حلزونی قرار گرفته است.

در لامپ فلاش شکل مستقیم دارد.لیزر یاقوت نمونه ای از این لیزرها است.

جزء اصلی این لیزرمیله ای است که از اکسید آلومینیم کریستالی مصنوعی (Al2o2) بهسازی شده با 0.05% وزنی اکسید کرم (Cr2o3) ساخته میشود یونهای گرک (Cr+++) به جای آلومینیم داخل شبکه کریستالی می‌نشینند و در نتیجه ماده صورتی رنگ می‌شود کریستالهای یاقوت را می‌توان در طول 300mm به قطر 25mm رشد داد.

ماده به دست آمده سخت و بادوام بوده و کیفیت نوری خوبی دارد، رسانایی گرمایی این ماده زیاد است ومیله لیزر به راحتی خنک می‌شود.

(این موضوع برای حفظ تابش لیزر لازم است) تولید لیزر با جذب نور پمپ شده توسط کرم (یونهای Cr+++) و بالا رفتن سطح انرژی آنها از سطح پایه تا بالاتر از سطح لیزر (سطح سه در انجام می‌شود.

افت غیر تابشی سریع تا سطح دو لیزر به وجود می‌آید .

اگر یونهای اضافه در سطح بالاتر وجود داشته باشند تابش لیزر تا سطح پایه اتقاق می‌افتد.

برای انجام این کار بادید بیش از 50% یونهای سطح پابه برانگیخته شوند تا وارنگی جمعیت نسبت به سطح پایه اتفاق بیافتد.

عمل تابش لیزر سه سطحی نیازمند پمپاژ بالا است که معمولا با عمل ضربه ای ایجاد می‌شود.

است.

طول موج خورجی وتوان معمولی لیزر یاقوت به ترتیب 0.6943 و 400j هستند.

بعضی لیزرهای حالت جامد در سیستم چهار سطحی عمل می‌کنند.

در این حالت یونهای سطح پایه با پمپاژ نور به سطح 4 برانگیخته می‌شوند سپس به سطح بالاتر لیزر (سطح سه) افت می‌کنند.

اگر بین سطوح دو و سه وارونگی جمعیت بین سطوح دو و سه بر خلاف سیستم سه سطحی که بیش از 50% یونهای باید برانگیخته شوند.

در این روش فقط درصد کمی از یونها باید برانگیخته شوند.

در نتیجه در سیستم چهار سطحی پمپاژ کمتر و شرایط آغاز لیزر راحتتر خواهد بود.

یون Nd3+ یکی از اجزاء معروف گروه چهاز سطحی است که در لیزرYAG Y3Al5o12) کریستالی بهسازی شده با Nd3+) یک عضو کلیدی است.

جدول 205 برخی خواص فیزیکی اصلی و کارآیی لیزرهای حالت جامد را نشان می‌دهد.

جدول 2.5 خواص لیزرهای حالت جامد (طبق ویور، 1971) مشخصات اشعه لیزری از بحث بالا نتیجه می‌شود که لیزر و نور معمولی در موارد زیر اختلاف دارند: پروفیل فضایی، واگرایی اشعه، کانون (تمرکز)، رفتار زمانی، درخشندگی، توان، در ماشینکازی با لیزر موارد 1.2.3.6 موثرترین هستند.

پروفیل فضایی لیزرها دارای پروفیل فضایی مشخصی به نام حالتهای جانبی الکترومغناطیسی (TEM) هستند.

به طور خلاصه حالت جانبی، اتنشار و تمرکز اشعه را تعیین می‌کند.

TEM نتیجه تشدید درون جعبه لیزر بوده و اندازه ای برای شکل میدان الکترومغناطیسی که با شرایط مرزی جعبه تعیین می‌شود است.

همه اندیسهای mm برای مشخص کردن تعداد صفرهای مدل فضایی که در هر دو جهت متعامد عمود بر جهت انتشار وجود دارند است.

حالت TEM00 اغلب برای ماشینکاری به کار می‌رود.

همانطور که در نشان داده می‌شود شدت اشعه لیزر در این حالت یک توزیع گاوسی به صورت تابعی از شعاع r از مرکز اشعه دارد.

I(r)=l0exp(--2r2/r20) (11.5) L0 شدت در مرکز و r0 شعاع است.

شدت در این شعاع نسبت به مقدار آن در مرکز با ضریب e2 کم می‌شود.

r0 را شعاع گاوسی هم می‌نامند) واگریی اشعه اشعه لیزر کاملا جهت دار و همراستا است.

بنابر این انرژی آن را می‌توان روی یک سطح کوچک متمرکز کرد.

در تئوری پراش حد پایین و اگرایی اشعه که در آن برای اشعه گاوسی k=2/ d قطر روزنه خروج اشعه و طول اشعه است.

برای لیزر حالت اولیه واگرایی اشعه معمولا 0.001rad است.

لیزر توان بالا که در وضعیت ضربه ای چند حالتی کار می‌کند داری زاویه وگرایی 0.015-0020rad می‌باشد.

تمرکز وتوان قطر اشعه لیزر غیر متکرکز تا چند میل متر می‌رسد.

برای اینکه انرژی لازم برای افزایش دمای مواد تا بالاتر از دمای نقطه ذوب یا جوش در اختیار باشد باید اشعه متمرکز شود.

قطر df اشعه گاوسی که با یک عدد عدسی ساده متمرکز شده با رابطه زیر تعریف می‌شود: (13.5) F طول موضعی عدسی، قطر اشعه و طول اشعه است کوچکترین اندازه‌های حداقل نقطه در حالت بالاتر، لیزرهای گازی، که در محدوده پراش متمرکز نمی شوند در حدود 0.1mm است.

اگر انرژی تابشی لیزر با یک عدسی متمرکز شود.

شدت توان p در صفحه کانونی عدسی را می‌توان با رابطه زیر تعریف کرد: (14.5) E انرژی خروجی از عدسی، f فاصله کانونی، واگرایی زاویه ای کامل اشعه و t مدت زمان پالس لیزر است.حداقل واگرایی اشعه برای یک اشعه نور، تابعی از طول موج و قطر اشعه است.

حداقل واگرایی اشعه برای یک اشعه همدوس فضایی را می‌توان از معیار ریلابت نتیجه گرفت )15.5) طول موج و R شعاع اشعه یا روزنه است.

در لیزرهایی که انرژی بالاتری دارند حداقل واگرایی اشعه ممکن است سه برابر مقدار پیش بینی شده با معیار ریلایت باشد، واگرایی نصف زاویه اشعه 2-10mrad امکان پذیر است مثال فرض کنید واگرایی اشعه لیزر 5mrad بوده و تابش آن به یک عدسی با فاصله کانونی 25mm متمرکز می‌شود.

شدت در نقطه کانونی دو هزار برابر شدت در نقطه ای است که اشعه لیزر متمرکز نشده باشد معمولا حداکثر توان به دست آمده با سیستمهای لیزری ضربه ای 10000w-1mw است.

شدت توان اشعه مترمکز حدود 20MWcm-2-2GWcm-2 است حتی اگر 0.1% از این انرژی توسط ماده جذب شود نرخ جذب انرژی 20KWcm-2-MWcm-2 خواهد بود.

در لیزر ضربه ای معمولی اندازه نقطه کانونی s را می‌توان از رابطه زیر تخمین زد: (16.5) مثال از مقادیر بالا برای واگرایی اشعه و فاصله کانونی اشعه، قطر نقطه کانونی 0.25mm به دست می‌آید.

با استفاده از عدسیهایی که فاصله کانونی آنها کوتاهتر است و با کاهش واگرایی اشعه لیزر می‌توان مقادیر بسیار کوچکتری به دست آورد.

اثرات لیزر بر مواد هنگام برخورد لیزر با قطعه کار، اثرات متعددی از جمله بازتابش، جذب و رسانش نور اتفاق می‌افتد.

توضیحات مفید ویور (1971) در بازه این اثرات اصلی بر فراگیری ماشینکاری با لیزر کمک می‌کنند بازتابش پذیری مقادیر بازتابش اشعه به طول موج تابش لیزر و به خواص ماده ای مثل پرداخت سطحی، مقدار اکسید شدن و دمای آن بستگی دارد.

بازتابش پذیری زیاد بسیاری از مواد در طول موجهای خاص لیزر ماشینکاری آنها را مشکل می‌کنند.

عموما با افزایش طول موج اشعه لیزر، بازتابش پذیری مواد بیشتر می‌شود این نظریه به نتایج جدول 3.5 که بازتابش پذیری بالایی با لیزرco2 با طول موج 10.6را نشان می‌دهند تایید می‌شود.

اگر طول موج بیش از 5 باشد بیشر فلزات حدود 90% اشعه برخوردی را با شدت توان کم بازتابش می‌کنند.

مقدار بازتابش پذیری را می‌توان با اصلاح شرایط سطحی قطعه کار کم کرد.

مثلا با اکسید کردن سطح مس بازتابش پذیری آن برای طول موج694.3nm از 95% به کمتر از 20% کاهش پیدا می‌کند (نکته: اگر چه این داده‌ها درباره بازتابش پذیری برای بررسی اثرات لیزر روی سطوح صاف بدون ناخالصی هستند ولی در حالتهای دیگر ممکن است این شرایط بر قرار نباشد و استفاده از این داده‌ها باید با دقت انجام شود) کاهش بازتابش پذیری افزایش جذب انرژی لیزر و اثرات حاصل از آن بر مواد می‌شود.

در ادامه پدیده جذب بررسی می‌شود.

جذب انرژی لیزری که از سطح باز تابش نمی شود به داخل ماده جذب می‌گردد.جذب نور در فلزات همراه با یک اثر فتوالکتریک داخلی که الکترونها را در باند رسانش فلز به سطوح بالاتر انرژی می‌برد انجام می‌شود (برای مثال در ضمیمه به پاسکو 1973) مراجعه کنید) مدت زمان متوسط آزاد بین برخوردهای الکترونها در یک رسانا در حدود 10-14-10-13 است.

بنابراین الکترونها در 1014-1015.1ns برخورد خواهند داشت.

به علت اینکه این زمان نسبت به کوتهاترین مدت زمان پالس لیزر بسیار کمتر سات بنابراین انرژی که الکترونها از اشعه لیزر جذب می‌کنند به سرعت به شبکه وارد می‌شود عمق جذب را می‌توان با فاصله متوسط آزاد الکترونهای ظرفیت و از رابطه زیر تخمین زد: L(x)-l(0)e-ax (x) شدت نور (بر حسب w) در عمق x نفوذ در ماده، 1(0) شدت برخورد و a یک ضریب جذب (m-1) بیشتر انرژی در عمق پوسته s جذب می‌شود.

(17.5) معمولا انرژی در عمق حدود جذب می‌شود (برای طول موجهای مادون قرمز و مرئی) در بیشتر ترکیبات آلی جذب در کمتر از انجام می‌شود (برای co2 در تابش مادون قرمز)به طور خلاصه لیزر یک اثر سطحی توسط رسانش گرمایی به ماده نفوذ می‌کند رسانش گرمایی رسانش گرما از لیزر به داخل ماده قطعه کار یک اثر بسیار پیچیده است.بنابر این تا به حال تئوری رسانش گرمایی در ماشینکاری با لیزر به اندازه کافی به کار نرفته است.

با این حال به یک روش ساده اطلاعات مفیدی راجع به ماشینکاری با لیزر می‌توان کسب کرد.

از آنجا که جنس قطعه کار همگن فرض می‌شود جریان گرمای داخل آن با معادله انتشار بیان می‌شود: (18.5) T دمای مطلق (k) و t مدت زمان (s) است.

k، ضریب انتشار، از رایطه زیر به دست می‌آید.

K=k/pc K ضریب رسانش گرمایی p.(wm-1k-1) چگالی (kgm-3) و c گرمای ویژه (gkg-1k-1) ماده جامد است اگر معادله انتشار (18-5) با فرض اینکه توزیع دما یک بعدی بوده و قطعه کار از یک سو بی نهایت است حل شود اطلاعات مفیدی درباره انتشار گرمای حاصل از لیزر در قطعه کار به دست می‌آید.

اگر دمای اولیه ماده صفر و دمای سطح x=0 در زمان t ، در T0 ثابت باش، حل کار سلاو و جاگر (1959) به این ترتیب است: T(x.t)T0erfc (x/2 kt) تابع خطا (erfc) به این صورت است: Erfcz=l-erfz مثال اگر شرایط دما طوری باشد که T(x t) / T0=0.5 باشد، یعنی افزایش دما تا نصف دمای دیواره قطعه کار، از داده‌های جدول بندی شده توابع خطا داریم : برای نفوذ تک دمای تعریف شده T(x,t)/T0 به عمق 1cm قطعه کار مدت زمان t=10114/k لازم است جدول 4.5 مدت نفوذ برای بعضی از موادشان می‌دهد.

حتی در موارد با رسانایی بالا مدت زمان نفوذ به عمق 1cm کمتر از 1s است.

در کرم و تیتانیم مدت زمان لازم 10s است .

ذوب سطح اگر لیزر سطح را به اندازه کافی گرم کند ذوب قطعه کار شروع می‌شود.

نتایج کارسلاو و جاگر مفید هستند.

افزایش دما بر اثر برخورد شار گرمایی به سطح x=0 قطعه کار، که نیمه بی نهایت فرض می‌شود.

از رابطه زیر به دست می‌آید:(19.5) F0 شار گرمایی ثابت (js-1cm-2) است.

با توجه به خواص جنس و توان لیزر برخوردی، جدول 5.5 مدت زمانهای محاسبع شده از معادله (19.5) برای ذوب سطح را نشان می‌دهد.

مثال اگر شار برخوردی 104wcm-2 باشد ذوب سطح برای کرم در 0.1s به دست می‌آید مدت زمان ذوب با مربع شدت توان برخوردی نسبت عکس دارد.

بنابراین با شدت توان 106wcm-2 مدت زمان ذوب به 1-5-10-6s کاهش می‌یابد.

بنابراین با شدت اشعه 106wcm-2 حتی اگر 1% توان برخوردی جذب سطح شود ذوب سطحی در کمتر از 0.1s اتفاق می‌افتد.

اگر شار گرمای حاصل از لیزر کمتر از 104wcm-2 باشد.

معادله (19.5) یک رابطه قابل قبول برای افزایش دمای قطعه کار خواهد بود.

اگر شار گرما بیش از 106wcm-2 و اگر شعاع منطقه گرم شونده کمتر از 0.cm باشد روابط پیچیده تری را باید به کار برد(ویور.

1971) تبخیر پس از ذوب وسیله، لیزر، سطح قطعه کار به سرعت شروع به تبخیر می‌کند.

رابطه سرعت تبخیر با شار برخوردی f لیزر به صورت زیر است.

(dx/dt) سرعت پسروی سطح قطعه کار و c انرژی لازم برای تخیر واحد حجم قطعه کار است.

معمولا c حدود 103jcm-3 است.

(نکته: استفاده از این معادله ساده به این معنی است که تبخیر با اشعه لیزر برخورد تداخل نمی کند.) مثال شار لیزر برخوردی 3-108wcm-2 سطح قطعه کار را با سرعت پسروی 10-4cms-1 تبخیر می‌کند قبلا مشاهده شد که با این شدت جریان بالای اشعه لیزر، انرژی برخوردی در عمق پیوسته جذب می‌شود.

در این شرایط می‌توان از جذب انرژی به حجم جامد صرف نظر کرد و تبخیر سریع جنس قطعه کار اتفاق خواهد افتاد.

مدت زمان t0 برای شروع تبخیر به صورت تقریبی از معادله (20.5) به T0=sc/f s عمق پوسته ای است که انرژی لیزر جذب می‌شود.

مثال اگر ضخامت f=3*107wcm-2.10-4cm s باشد مدت زمان 10-8s.

باشد مدت زمان10-8s.t0 می‌شود یعنی با این شار بالای لیزری برخوردی تبخیر بسیار سریع انجام می‌شود.

در رابطه به معادلات 20.5 و 21.5 باید به این فرض توجه کرد: این معادلات به این معنی هستند که تبخیر با اشعه لیزری برخوردی به سطح تداخل نمی کند ولی در تحلیل دقیق سرعت تبخیر باید اثرات جذب انرژی توسط بخار در نظر گرفته شود.

یعنی بخار واقعا به اشعه لیزری بر خوردی تداخل می‌کند.

انرژی لازم برای تبخیر با توجه به مطالب بالا، جدول 6.5 راهنما مفیدی برای حداقل انرژی لیزر که برای ذوب وتبخیر مواد معمولی لازم است، می‌باشد.

جدول نشان می‌دهد که انرژی لازم برای تبخیر پلاستیکها نسبت به فلزات کمتر است.

اغلب غیر فلزات، که معمولا رسانایی گرمایی آنها کم است.

تابشهای با طول موج لیزر را جذب می‌کنند بنابراین مواد پلاستیکی با لیزرهای co2 کم انرژی (چند وات) ذوب می‌شوند با توانهای بیشتر می‌توان آنها را به سرعت .برش داد.

مثلا لیزر 400wco2 جسم پلاستیکی به ضخامت 0.1mm را با سرعت از 4ms-1 می‌برد از آنجا که فلزات بازتابش پذیری و رسانش گرمایی بیشتری دارند برای برش آنها شدت انرژی باید بیشتر باشد.

شروع تعیین انرژی لازم برای تبخیر قابل استفاده است گاگلیانو و همکاران او (1969) یک روش محاسباتی ارائه کردند که در زیر بیان می‌شود.

اصول ماشین کاری 1- سایش مته : با افزایش ساییدگی در سطح آزاد مته و اضافه شدن پهنای سایش (hf) ( شکل 21-1) ، نیروی محوری و گشتاوری پیچشی در مقایسه با یک مته تیز و سالم 10 تا 16% افزایش می یابند .

2- سرعت برشی : نیروی محوری و گشتاور پیچشی با افزایش سرعت برشی ابتدا افزایش پیدا کرده و سپس کاهش می یابند .

فرزکاری فرزکاری یکی از معمولترین روشهای تولید دسته ای در ماشینکاری می باشد .

این عمل بوسیله ابزاری که تیغ فرز نامیده می شود ، انجام می شود .

ابزار فرزکاری از چند لبه تشکیل شده است ، حرکت اولیه برش در فرزکاری گردش ابزار بوده و حرکت تغذیه معمولا در یک خط مستقیم است که به وسیله قطعه کار انجام می شود .

اجزاء تیغ فرز هندسه تیغ فرزها بصورت کلی در شکل های (23-1) و (24-1) مشاهده می شود .

زاویه براده نرمال (yn) در صفحه عمود بر لبه برش اصلی اندازه گیری می شود ( مقطع A-A در شکل (23-19) ) .

لبه برش اصلی به لبه ای که در محیط تیغ فرز قرار دارد گفته می شود که با سطح برش زاویه معین X می سازد و به زاویه داخلی معروف است ، جهت لبه برش اصلی در یک تیغ فرز غلطکی مارپیچ (شکل 23-1) بر زاویه مارپیچ منطبق است ، مقدار زاویه براده نرمال در تیغ های فرزهای فولاد تند بر از 10 تا 20 درجه تغییر می کند که به نوع تیغ فرز و فاکتورهای دیگر بستگی دارد .

در تیغ فرزهای کاربایدی پیشانی و بغل تراش زاویه براده (y) بین 5+ تا 10- می باشد .

زاویه براده ممکن است در صفحه عمود بر محور تیغ فرز مشخص شود (مقطع B-B شگل 23-1) که به زاویه براده شعاعی معروف می باشد .

رابطه (29-1) برای پیدا کردن زاویه براده نرمال ، وقتی که زاویه براده شعاعی yx داده شده باشد استفاده می شود ( در تیغ فرز پیشانی تراش ) .

(29-1) tg γ = tg γ χ sin χ + tg ω .

cos χ و در تیغ فرز غلطکی رابطه زیر برقرار می باشد : tg γ = tg γ χ .

cosω در فرمولهای فوق ω زاویه مارپیچ و χ زاویه داخلی تیغ فرز پیشانی تراش می باشد .

زاویه آزاد شعاعی (αx) در صفحه عمود بر محور تیغ فرز اندازه گیری می شود ( مقطع x-x شکل ( 24-1 ) ) این زاویه بین خط مماس بر پشت دندانه در یک نقطه از لبه برش اصلی و خط مماس بر دایره ای که در همان نقطه رسم می شود ، می باشد.

گاهی اوقات زاویه آزاد در صفحه عمود بر لبه برش اصلی معین می شود ( αn در مقطع N-N شکل (23-1) برای تیغ فرز غلطکی : tg αx = tgαn .

cos ω برای تیغ فرز پیشانی تراش : tgα = tgαn.sinχ زاویه آزاد αx روی لبه برش پیشانی به زاویه آزاد پیشانی معروف است و مقدار آن دز مقطع B-B شکل ( 24-1) که عمود بر لبه برش پیشانی می باشد ، اندازه گیری می شود .

در تیغ فرزهای فولاد تندبر مقدار زاویه آزاد شعاعی از 12 تا 30 درجه تغییر می کند ، که این تغییرات به نوع تیغ فرز و فاکتورهای دیگر بستگی دارد .

فرزکاری محیطی ( غلطکی ) مکانیزم تشکیل براده در فرزکاری ( از جمله : تغییر شکل ، تولید حرارت ، تشکیل لبه انباشته ، سایش ابزار و غیره ) شبیه مکانیزم تشکیل براده در تراشکاری با یک قلم تک لبه می باشد .

بطور کلی در تراشکاری ، عمل برش از حرکت مداوم قلم و قطعه کار که پیوسته در تماس می باشند انجام می شود ، اما در فرزکاری هر دندانه در زمان کوتاهی از یک دور ، با قطع کار در تماس بوده و در بقیه سیکل کار عمل براده برداری را انجام نداده و در هوا خنک می شود لذا بصورت ضربه ای وارد می شود باعث کم شدن عمر ابزار می شود .

حرکت قطعه کار و ابزار در شکل (25-1 الف ) نشان داده شده است .

ابزار برش از ضخامت براده صفر شروع به براده برداری می کند ( شکل 25-1-ب ) البته در عمل ضخامت براده صفر عملا امکان ندارد زیرا لبه برش کاملا تیز نبوده و دارای قوسی به شعاع p می باشد ، در نتیجه به جای شروع از نقطه k ( شکل 26-1) از نقطه m شروع به براده برداری می کند زیرا لبه برش مقداری روی کار لغزیده و جایی عمل برش را انجام می دهد که شعاع لبه برش ابزار با ضخامت براده برابر می شود .

لبه برش ابزار از نقطه k تا M در امتداد قطعه کار لغزیده و لذا باعث می شود که سطح کار توسط هر دندانه سخت می شود ( در اثر اصطکاک زیاد و سایش پشت ابزار ) .

در فرزکاری با تیغ فرز غلطکی شیار مستقیم ضخامت براده تغییر شکل نیافته متغیر می باشد و از مینیمم مقدار خود تاماکزیمم مقدار (acmax ) تغییر می کند .هم چنین در فرز کاری با تیغ فرز غلطکی مارپیچ علاوه بر تغییر ضخامت براده (ac) ، عرض براده نیز تغییر می کند ( شکل 27-1-ب ) دندانه های تیغ فرز متناوبا عمل می کنند و در اثر تغییرات سطح مقطع براده مقدار نیرو و گشتاور تغییر می کند .

محاسبه پارامترهای مختلف برش در فرز کاری محیطی