Курс лекций по дисциплине «металлорежущие станки» Москва 200 г

Генератор импульсов. Как правило, генератор импульсов, используемый в ЭЭПС, оснащен устройством программно-адаптивного управления.

Получаемые при работе с генератором результаты обработки деталей зависят от параметров электрического режима (полярности электрода-инструмента и обрабатываемой детали, установленных характеристиками импульсов разрядов) и способа управления процессами.

Генератор позволяет производить обработку при прямой и обратной полярности электродов. При прямой полярности деталь подключается к положительному полюсу генератора, а ЭИ к отрицательному, при обратной полярности - наоборот.

К числу характеристик импульсов, устанавливаемых органами управления, относятся форма импульсов (прямоугольная и гребенчатая), частота и скважность силовых импульсов, количество импульсов, длительность паузы между пакетами, средний рабочий ток, среднее напряжение на эрозионный промежуток. Форма импульсов показана на рис. 75.

При обработке импульсами прямоугольной формы производительность процесса выше, чем при обработке импульсом гребенчатой формы. Однако износ инструмента в первом случае значительно больше.

Форму импульсов выбирают с учетом требований к процессу в зависимости от обрабатываемого материала и размеров обрабатываемой поверхности.

Электроды - инструменты. ЭИ состоят из рабочей части, поверхность которой участвует в формообразовании, и вспомогательных элементов, базовые поверхности которых служат для его установки и выверки. Формообразования осуществляется по методу копирования.

Рабочая часть ЭИ представляет собой негативную копию обрабатываемой поверхности с размерами, уменьшенными на величину межэлектродного зазора и припуска на последующую обработку и скорректированные в случае орбитального движения ЭИ на величину его амплитуды.

При проектировании технологического процесса, исходя из серийности, материала, формы, размеров и качества поверхности обрабатываемой детали, руководствуются рекомендациями завода -производителя станков, или по результатам тестовых испытаний подбирают параметры электрического режима с учетом материала ЭИ и метода его изготовления.


4.4. Разновидности обработки конструкционных материалов

электрофизическими методами.

Электроннолучевая обработка. При взаимодействии ускоренных электронов с твердым телом происходит множество процессов, в результате которых наблюдается эмиссия атомных частиц, а свойства самого твердого тела могут существенно изменяться. Многие из этих процессов используются на практике в электровакуумных приборах разнообразного типа и назначения. Другая обширная область применения электронных потоков - это использование их в качестве универсального технологического инструмента, позволяющего не только изменять заданным образом свойства обрабатываемых материалов, но и весьма тонко контролировать эти изменения. Схема подобной технологической установки приведена на рис. 76.



Рис. 76. Схема установки для электроннолучевой обработки.

1 - катод; 2 - система центрирования; 3 - вакуумная камера; 4 - заготовка; 5 – линза для фокусировки; 6 - магнитная линза; 7 - оптическая система для наблюдения; 8 - анод.


Рассмотрим, какие из физических явлений, сопровождающих электронную бомбардировку, могут быть использованы для этих целей.

Закономерности протекания процессов при такой бомбардировке определяются параметрами электронного луча: энергией электронов, направлением их движения и интенсивностью потока.

Тип системы, диапазон ускоряющих напряжений, допустимый разброс по энергии и углам вылета электродов, минимальный поперечный размер пучка и плотность электронного тока в каждом случае определяется конкретно.

Особенностью электроннолучевого нагрева является то, что можно достигнуть очень высокой концентрации тепловой энергии при сравнительно малой общей мощности пучка.


Все основные операции электроннолучевой обработки можно разбить натри группы:

• плавление (операции локального переплава, плавка в вакууме);
  

• испарение (испарение в вакууме, размерная электроннолучевая обработка);
  
• термообработка без изменения агрегатного состояния вещества.
  

Локальный переплав обрабатываемых поверхностей с помощью электронного луча дает возможность получать чрезвычайно высокие скорости кристаллизации металла в зоне плавления. Образуемая при этом структура обрабатываемой детали значительно отличается от структур, получаемых в обычных условиях. Расширяются границы растворимости для твердых растворов, измельчается микроструктура, значительно повышается пластичность и твердость. Быстрое остывание расплавленного металла приводит к последующей дополнительной закалке с мелкозернистой структурой с высокой твердостью.

Электроннолучевая плавка, или лучом в вакууме, применяется тогда, когда необходимо выплавить особо чистые металлы, в том числе, химически активные. Переплавляемый материал может быть использован в любом виде (шихта, пруток, лом, спеченные кубики и т.п.). Особую роль при этом играет вакуум как защитная среда, что объясняется следующим:

• в вакууме происходит интенсивное удаление растворенных в металле газов, что значительно улучшает их механические свойства;
  
• некоторые из примесей (нитриды, карбиды, оксиды) при нагревании в вакууме разлагаются, что приводит к рафинированию (очищению) переплавляемого металла;
  
• при плавке металла в вакууме все время происходит удаление газообразных продуктов из зоны реакции.
  

Электроннолучевая сварка. Эта операция является одним из самых распространенных технологических применений электронного луча. Поскольку при сварке происходит локальное плавление с последующей кристаллизацией, величина зоны расплавленного металла имеет важное значение. Кристаллизация металла в сварочной ванне в значительной мере определяет свойства металла шва, и изменение ширины зоны проплавления при сварке оказывает существенное влияние на свойства сварного соединения. Кроме того, от объема расплавленного при сварке металла зависит деформация и напряжения, возникающие в конструкциях после сварки.

Электроннолучевое испарение металлов. Испарение в вакууме материалов при нагреве их электронным лучом используют для получения тонких пленок. В отличие от других способов испарения, здесь осуществляется прямой нагрев поверхности испаряемого металла.

Электроннолучевое испарение применяют в микроэлектронике при нанесении различных покрытий на стальную ленту. Характерным примером электроннолучевого напыления является изготовление листового теплоотражающего стекла, когда на стеклянную заготовку напыляют тонкий слой хрома, меди, а затем боросиликатного стекла.

Размерная обработка электронным пучком. В результате такого рода обработки в заготовке получают глухие или сквозные отверстия заданных размеров и заданный контур с определенными допусками. Размерная обработка основана на том, что при достаточно большой поверхностной удельной мощности скорость испарения и давления пара возрастает настолько, что весь жидкий металл с потоком пара выбрасывается из зоны обработки.

Параметры электроннолучевой размерной обработки связаны с энергетическими характеристиками материала (температура плавления, упругость пара) и не зависят от его механических свойств (прочность, твердость, пластичность). Поэтому электронный луч нашел применение в первую очередь при обработке твердых материалов - алмазов, кварца, керамики, кристаллов кремния и германия.

Особой разновидностью размерной обработки является перфорация, т.е. получение мелких сквозных отверстий, заданных формы и размеров в необходимом количестве на единицу площади. Так изготовление металлических и керамических элементов фильтров, пористый материал для камер сгорания ракетных двигателей и для лопаток турбин. Другим примером являются фильеры до 30...50 мм, которые при толщине перфорируемой пластины 1 ..3 мм могут содержать до 500 отверстий.

Электроннолучевая термообработка. Этот процесс позволяет осуществлять локальный нагрев обрабатываемых участков поверхности с целью структурных превращений (в основном, закалки) или для отжига в вакууме с целью увеличения пластичности и очистки поверхностей от адсорбированных газов.

Например, упрочнение лезвия режущего инструмента из быстрорежущей стали, производится этим методом, в результате чего рабочий ресурс инструмента повышается в два раза по сравнением с традиционным методом упрочнения.

Термообработка листового материала или фольги производится сканированием луча на обезжиренную, очищенную и предварительно нагретой до 200...400°С поверхности.

Лазерная технология. Лазерное излучение представляет собой наиболее концентрированный источник энергии, превосходящий в этом плане возможности электроннолучевой обработки. Однако при одинаковой мощности излучения лазерная обработка обеспечивает меньшую глубину плавления, чем электроннолучевая, что является определенным недостатком.


На рис. 77 показана схема процесса лазерной обработки заготовки с учетом баланса энергетических затрат, выраженных следующими уравнениями:





,

здесь:

- энергия сфокусированного лазерного излучения;

- энергия, поглощенная в объеме плазменно-парового факела внутри кратера и над его поверхностью;

- энергия, рассеиваемая в окружающую среду излучением из плазменного факела;

- часть энергии, рассеиваемая в окружающую седу излучением из плазменного факела;

- энергия лазерного луча, отраженная от основного металла и от дна кратера;

- полная энергия продуктов разрушения, уносимая реактивными парогазовой струей;

- энергия лазерного луча, поглощенная в процессе электронных соударений на стенках кратера;

- полное теплосодержание жидкого металла в сварочной ванне;

- энергия, отводимая вглубь основного и переплавленного металла вследствии теплопроводности.



Рис. 77. Схема энергетических затрат в установившимся режиме проплав.анин

металла сфокусированным лазерным излучением:

1 -сфокусированный луч лазера; 2 - основной металл; 3 - кратер (парогазовая область); 4 - жидкий металл; 5 - переплавленный металл (сварной шов); 6 - плазменный факел.


Эффективность передачи лазерного излучения обрабатываемому материалу определяется значением эффективного коэффициента поглощения, который фактически характеризует эффективный КПД лазерной обработки. Приближенно значение этого коэффициента может быть получено из вышеприведенной системы уравнений:

.

Рассмотрим типовые операции лазерной технологии.

Нагрев. Поверхностная термообработка проводится для отдельных зон поверхности с последующим их охлаждением в любых средах (вода, воздух, эмульсия и т.п.). Это позволяет избирательно термически упрочнять поверхность изделия из склонных к закалке материалов (чугун, сталь и т.д.). Нагрев лазером для закалки выгодно использовать для таких деталей как шейки валов и осей, гильзы, вкладышей, зубьев шестерен и т.д. По сравнению с закалкой ТВЧ, здесь не требуется изготавливать для каждой детали свой индуктор, получаются более узкие зоны закалки, производительность возрастает на 70...90%.

Плавление и локальный переплав. Нагрев, расплав и быстрое охлаждение позволяет получать структуры, которые иначе получить нельзя. Быстрое охлаждение для массивных деталей достигается тепловым отводом в материал.

Для изделий из чугуна и высокоуглеродистой стали целесообразен не сплошной поверхностный переплав, а создание зоны проплавления в виде отдельных сеток, линий, спиралей и т.д. В этом случае удается сочетать прочность и пластичность основного металла с повышенной температурой и износостойкостью переплавленных зон. Причем вкрапление этих зон в основной материал увеличивает их прочность и снижает склонность к трещинообразованию. Это находит применение при изготовлении направляющих и других опор трения.

Лазерная сварка, как процесс, связанный с локальным плавлением, конкурирует как с традиционными процессами, так и с электроннолучевой сваркой. Наиболее часто лазерная сварка применяется для малогабаритных деталей и конструкций из тонколистовых материалов. Применяются точечная сварка и шовная сварка герметичным швом. Сравнительно небольшой разогрев позволяет осуществлять герметизацию корпусов, заполненных веществами, разогревать которые недопустимо. Например, так герметизируются корпуса малогабаритных щелочных аккумуляторов, заполненных электролитом.

В автомобилестроении лазером сваривают детали кузова, шестерни коробки передач и карданного вала.

Сварка неметаллических деталей (стекла, керамика и др.) осуществляется за счет хорошего поглощения ими с большой длиной волны (λ= 10,6 мкм у лазера на СО₂). По такой технологии изготавливаются корпуса термометров, где капилляр вваривается в оболочку и осуществляется заварка донышка. Подобным образом производится сварка пальчиковых ламп.

Резка и размерная обработка металлов основаны на использовании локального расплавления металла и его последующего удаления под действием силы тяжести, конвективного потока или газовой струи. Пары перегретого материала могут удаляться из зоны реза за счет собственной упругости и дополнительно струей инертного газа.

Эффективность резки может быть значительно повышена за счет введения в зону активного газа, например, кислорода. Реакция с ним увеличивает выделение энергии в месте взаимодействия материалов. Такой процесс называется газолазерной резкой.

Прошивка отверстий. Параметры и режимы, используемые при прошивке отверстий из различных материалов, сведены в табл. 12.

Материал	Толщина, мм	Диаметр отверстий, мм		Время импульса, мс	Энергия импульса, Дж
		Входн.	Выходн.
Нержавеющая сталь	0,9	0,5	0,25	2,35	5,9
Никелевая сталь	1,78	0,3	0,22	0,8	16,0
Вольфрам	0,5	0,2	0,15	2,0	3,3
Молибден	0,5	0,25	0,2	2,0	3,3
Тантал	1,6	0,3	0,1	2,42	8,0
Медь	0,8	0,2	0,2	2,25	4,9
Магний	1,5	0,4	0,3	2,0	3,3

Получение отверстий с помощью лазера применяется для изготовления фильер, подшипников из кристаллических материалов для измерительных приборов, микротрафаретов для пленочных схем, форсунок и др. Используются заготовки из керамики, металла, феррита, рубина. Осуществляется как предварительная, так и финишная операция при изготовлении часовых камней. В последнем случае по сравнению с механической обработкой производительность оказывается в 100... 1000 раз выше.

Лазерная резка неметаллических материалов. Этот вид обработки позволяет резать материалы любой твердости, при этом обеспечиваются высокая точность и качество реза (малая ширина реза и параллельность кромок), малая зона нагрева, большая производительность, вдзможность точного, автоматизированного управления.

Таким способом обрабатываются: металлокерамика, стеклоуглерод, композитные материалы на основе нитей бора и углерода, стеклоткань (со значительным улучшением условий труда по сравнению с механической резкой).

Большое преимущество дает лазерная резка в деревообрабатывающей промышленности. Например, при раскрое фанеры отсутствуют опилки, достигается малая ширина реза, чистая поверхность кромок, высокая точность при очень сложных формах раскроя. Отмечается резкое повышение производительности бумагорезательного производства при переходе на лазерный раскрой бумаги и картона.

Лазерная маркировка. При воздействии лазерного излучения на металлы и неметаллы за короткий промежуток времени происходит нагрев поверхности до высокой температуры, при которой происходит плавление и испарение материала. Это приводит к появлению определенного следа или метки. Перемещая изделие относительно лазерного луча с определенной скоростью (см. рис. 78), можно получить на поверхности изображение в виде букв, линий, символов, знаков, цифр или рисунков.



Рис. 78. Схема маркировки лазерным лучом.

1 - лазерное излучение; 2 - маска с изображением;3 - фокусирующая линза; 4 - маркируемое изделие.


Лазерное легирование металлическими компонентами осуществляется путем подачи присадочного порошка в зону обработки (рис. 79).



Рис. 79. Схема лазерного напыления металла.


Испаряемый порошок 4 подается из бункера 3 и охлаждаемый тигель 5, где под действием лазерного излучения 1 испаряется и оседает на обрабатываемой детали 2. Этот процесс ведут с использованием непрерывного излучения. В результате в. зоне обработки образуются пересыщенные твердые растворы, что приводит к повышению микротвердости.

Плазменная технология. В основе плазменной технологии лежит электрический дуговой разряд, в дуговом промежутке которого при высокой температуре образуются ионы и электроны. Эти заряженные частицы обеспечивают прохождение электрического тока через газ и придают ему ряд ценных с практической точки зрения свойств. Среда, в которой находится значительная часть молекул или атомов, называется плазмой.

Плазма находит технологическое применение, прежде всего в процессах, которые требуют высокотемпературного концентрированного нагрева значительных зон заготовки. В промышленности широко используются плазменная резка металлов, плазменные наплавка, сварка, напыление тугоплавких металлов, оксидов, карбидов и нитридов, а также комбинированное воздействие, называемое плазменно-механической обработкой.

Сущность плазменно-механического метода обработки состоит в том, что при обработке резанием высокопрочных материалов и сплавов перед резцом устанавливается плазмотрон, нагревающий узкую зону обрабатываемого материала. Так как при нагреве прочность обрабатываемого материала снижается, а пластичность увеличивается, можно без ущерба для качества поверхности увеличить подачу и глубину резания. Плазменно-механическая обработка применяется при изготовлении деталей из жаропрочных сталей и сплавов на базе вольфрама, молибдена и других материалов, в которых при механической обработке при обычной температуре в поверхностных слоях образуются микротрещины.

Плазменная технология нашла применение и при покрытиях материалов. Одной из разновидностей процесса плазменного напыления является ионная технология плазменного нанесения покрытий с помощью плазменных ускорителей. Схема такого процесса изображена на рис. 80.



Рис. 80. Схема ионного нанесения покрытий с помощью плазменного ускорителя.


В соответствии с этой схемой материал покрытия получается путем испарения, в вакууме охлаждаемого водой, катода 1. Затем его ионизируют в электрическом разряде и превращают в плазму 2, которая с помощью электромагнитного поля ускоряется и фокусируется по направлению к обрабатываемой поверхности 3. Значительная энергия, которую можно сообщить ионам в плазме, позволяет внедрять их в обрабатываемые поверхности и получать прочные поверхностные покрытия.