Лучевые методы размерной обработки кратко

Обновлено: 05.07.2024

Содержание

1.Технология и изделия машиностроения, основные понятия, трудоемкость операции (штучное время), производительность обработки…. 3
2.Технологические основы производства полимерных материалов (пластических масс, химических волокон, каучуков, резины), задачи и перспективы развития…………………………………………………………. 17
2.1 Пластмассы, их свойства, значение и применение в народном хозяйстве………………………………………………………………………. 19
2.2 Химические волокна и их применение в народном хозяйстве……. 23
2.3 Каучуки и резина……………………………………………………….30
3. Лучевые методы обработки, область применения, технико-экономические показатели……………………………………………………. 35
3.1 Электронно- лучевая обработка……………………………………. 36
3.2 Лазерная (светолучевая) обработка…………………………………. 42
Библиографический список………………………………………………. 47

Работа состоит из 1 файл

ТОП последний вариант.docx

Синтетические каучуки (СК) — высокополимерный каучукоподобный материал; условно они делятся на каучуки общего и специального назначения. К каучукам общего назначения относят бутадиеновый (СКБ), бута- диенстирольный (СКС), изопреновый (СКИ) и некоторые другие, а к каучукам специального назначения — бутадиеннитрильный (СКН), хлоропреновый, бутилкаучук, силиконовый, фторкаучук и др.

Процесс производства синтетического каучука состоит из двух основных стадий получение мономера и получение полимера. Сырьем для производства каучуков является этиловый спирт, на смену которому приходит нефтехимическое сырье — этилен, пропилен, бутилен, бензол, а также ацетилен, бутан, пентан, изобутан, получаемые из газообразного топлива. При переводе промышленности СК на нефтегазовое сырье производительность труда повышается в 4 раза, а себестоимость СК в 2 — 3 раза ниже, чем на спирте, получаемом из пищевого сырья.

Первым советским синтетическим каучуком был бутадиеновый (СКБ). Не отличаясь высоким качеством, этот вид каучука имеет малое значение.

Ведущую роль в мировом производстве СК играют бутадиенстирольный (СКС) и бутадиеннитрильный (СКН) каучуки.

На основе СКС изготовляют изделия шинной и резинотехнической промышленности. Этот каучук отличается большой прочностью, эластичностью, технологичностью, повышенной теплостойкостью, устойчивостью к действию света и кислорода. Каучуки СКН характеризуются высокой бензо- и маслостойкостью, стойкостью к воздействию растворителей и агрессивных сред, имеют повышенную теплостойкость и применяются для изготовления резинотехнических изделий, шлангов, прокладок, уплотнителей и т. д.

Изопреновые каучуки (СКИ), отличаясь высокой эластичностью, прочностью, износостойкостью, с успехом заменяют натуральный каучук (НК).

Большое значение в современном народном хозяйстве имеет хлоропреновый каучук. Этот каучук обладает отличными эксплуатационными характеристиками: эластичен, высокопрочен, износоустойчив, особо стоек к химическим средам, растворителям, негорюч. Недостатком является его низкая морозостойкость. Он широко применяется в производстве резинотехнических и специальных изделий, для защиты аппаратуры от коррозии.

Недостатком всех вышеперечисленных синтетических каучуков является невысокая термостойкость (до + 200 °С), некоторая газопроницаемость.

Для специальных технических целей (в судо- и авиастроении, в кабельной промышленности, для камер ракетного топлива, для защиты аппаратуры от агрессивных химических сред при высокой температуре) применяются ценные виды каучуков — силоксановые, тиоколы и фтор- каучуки. Отличаясь уникальными свойствами (термостойкостью до + 400. 500°С), но будучи достаточно дороги, они применяются очень ограниченно.

Превращение каучуков в резину и получение резиновых изделий подразделяется на три стадии: приготовление сырой резиновой смеси, заготовительно-сборочные операции, вулканизацию изделий и их отделку. Резиновые смеси изготовляют путем смешивания каучуков с ингредиентами: наполнителями, ускорителями пластикации, пластификаторами, вулканизаторами, ускорителями вулканизации, противостарителями, красителями и т. д.

3.Лучевые методы обработки (лазерная, электронно-лучевая), область применения, технико-экономические показатели

Постоянно растущие требования к качеству, надежности и долговечности изделий вызывают необходимость применения для изготовления соответствующих деталей современных конструкционных материалов, обладающих высокой прочностью, жаростойкостью, жаропрочностью, коррозийной стойкостью и др. Традиционные методы обработки деталей из этих материалов связаны с определенными проблемами, так как многие материалы относят к труднообрабатываемым. Поэтому на предприятиях используют физико-химические методы обработки (рис. 3.1).

К преимуществам этих методов по сравнению с процессами резания относят:

-копирование формы инструмента сложной формы по всей поверхности при простом поступательном движении;

-режимы обработки практически не зависят от твердости и вязкости материала;

-возможность выполнения уникальных операций (обработка отверстий спиральной формы или криволинейных, глубоких канавок и др.);

-малые значения сил, действующих в процессе обработки, и отсутствие механического контакта при некоторых методах обработки, что позволяет обрабатывать нежесткие конструкции;

-используется инструмент менее твердый и менее прочный, чем обрабатываемый материал;

-Высокая производительность обработки при сравнительно высокой точности обработки;

-возможность автоматизации и механизации процессов обработки, а также многостаночного обслуживания.

Недостатком физико-химических методов обработки является повышенная по сравнению с процессами резания энергоемкость. Их использование целесообразно в случаях, когда применение процессов резания малоэффективно. Особенно эффективно применение физико- химических методов при изготовлении таких изделий, как штампы, пресс-формы, турбинные лопатки, фасонный твердосплавный инструмент электронная аппаратура и т. п. Технико-экономический эффект применения повышается в случаях обработки поверхностей сложной конфигурации и деталей из более труднообрабатываемых материалов.

Рис.2 Классификация электрофизических и

электрохимических методов обработки

3.1 Электронно-лучевая обработка

Этот метод основан на превращении кинетической энергии направленного пучка электронов в тепловую, выделяющуюся при столкновении пучка с обрабатываемым материалом. Высокая плотность энергии сфокусированного электронного луча позволяет обрабатывать заготовки за счет нагрева, расплавления и испарения металла с узколокального участка.

Следует отметить, что на пути к поверхности первичные электроны могут терять энергию и рассеиваться при столкновениях с частицами окружающей среды. При давлении остаточных газов, равном 1 Па, на каждом метре пути электрон испытывает в среднем до 100 соударений. Поэтому давление в вакуумной установке необходимо поддерживать на уровне 10 -2 -10 -4 Па и ниже, это обеспечивает рассеяние не более 1% электронов.

Обработка ведется в специальной установке, которая состоит:

-из электронной пушки, формирующей мощный электронный луч;

-вакуумной камеры, где производится обработка детали (4); в камере имеется устройство точной установки и перемещения детали;

-вакуумной насосной системы, создающей вакуум порядка 1,33 • 10 -2 Па;

-контрольной системы, управляющей электронным лучом и его траекторией;

-импульсного источника энергии;

-приборов для контроля и наблюдения за ходом процесса.

Режимы обработки электронным лучом определяются:

-силой тока в луче;

величиной ускоряющего напряжения;

плотностью энергии в фокальном пятне;

длительностью, и частотой импульсов;

скоростью перемещения детали относительно луча.

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

Имеющиеся экспериментальные и теоретические данные показывают, что максимум поглощаемой мощности находится на оси пучка, но не на поверхности мишени, а под поверхностью, причем его относительное положение мало меняется при возрастании энергии.

Все основные операции электронно-лучевой обработки можно условно разбить на три группы:

1.плавление (операции локального переплава, плавка в вакууме);

2.испарение (испарение в вакууме, размерная электроннолучевая обработка);

3.термообработка без изменения состояния вещества.

Рис.3 Схема установки для электронно-лучевой 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

Электронно-лучевая плавка, или плавка лучом в вакууме, применяется тогда, когда необходимо выплавить особо чистые металлы,

в том числе химически активные. При этом можно получать более высокий перегрев жидкого металла в ванне и наиболее полно производить дегазацию металла, отгонку летучих примесей, а также осуществить те физико-химические процессы, которые при иных методах плавки не успевают протекать полностью. Переплавляемый материал может быть использован в любом виде (шихта, пруток, лом, спеченные штабики, губка). Особую роль при этом играет вакуум как защитная среда, что объясняется следующим.

В вакууме, происходит интенсивное удаление растворенных в металле газов, что значительно улучшает механические свойства металла, особенно пластичность. Многие сплавы на основе титана, вольфрама, молибдена, ниобия и других химически активных металлов получили промышленное применение только благодаря выплавлению в вакууме.
Некоторые из примесей (нитриды, карбиды, оксиды) при нагревании в вакууме разлагаются; при этом происходит вакуумное рафинирование переплавляемого металла. Переплавленный металл содержит меньше металлических включений, и это повышает эксплуатационные характеристики изготовленных из него изделий.
При плавке металла в вакууме все время происходит удаление газообразных продуктов из зоны реакции, вследствие чего равновесие химических реакций вида

по принципу Ле-Шаталье сдвигается вправо, т.е. резко интенсифицируются раскислителъные реакции. Это также дает возможность повысить качество выплавляемого в вакууме металла, значительно снизить в нем содержание газов, прежде всего кислорода.

Электронно-лучевой переплав (ЭЛП) применяют для глубокого рафинирования сталей и сплавов, для получения чистых и ультрачистых тугоплавких металлов (молибден, ниобий, цирконий и др.). Источником теплоты на установках (печах) электронно-лучевого переплава является энергия, выделяющаяся при торможении потока электронов, пучок которых направлен на переплавляемый металл (кинетическая энергия электронов превращается в тепловую). Электроны вырабатываются катодом электронной пушки. Разгон электронов осуществляется в условиях глубокого вакуума (остаточное давление 0,00133 кПа) за счет высокого напряжения (150 кВт) между катодом пушки и анодом, которым является переплавляемый металл и образующийся слиток.

На рисунке показана схема установки аксиальной пушкой

В плавильной вакуумной камере 2 размещаются расходуемый электрод 3, водоохлаждаемый кристаллизатор 4 и направляемый слиток 5, затравка 6 и водоохлаждаемый шток 7, связанный с системой перемещения слитка.

Для управления процессом в схеме предусмотрены фокусирующая и направляющая (отклоняющая) пучок электронов системы. Наличие вакуума, большой перегрев, высокие скорости охлаждения слитка способствуют удалению газов и примесей, получению металлов особо высокого качества. Однако при переплаве сплавов, содержащих легкоиспаряющиеся элементы, изменяется химический состав металла.

В настоящее время применяют электронно-лучевые установки с мощностью пушек до 7500 кВт и массой слитка до 100 т.

Рис.4 Схема электронной плавильной установки с аксиальной пушкой

Исключительно важную роль в технологии играет электроннолучевой нагрев вещества. Лишь некоторая доля энергии первичного пучка уносится из тела мишени эмитированными с ее поверхности электронами, фотонами и атомными частицами, а оставшаяся часть поглощается веществом и в конечном счете переходит в теплоту. Как и при любом другом способе нагрева, эта теплота отводится от облучаемою участка за счет теплопроводности материала и теплового излучения поверхности. С ростом энергии электронного пучка тепловой баланс между выделяемой и отводимой энергиями устанавливается, при более высокой температуре облучаемого участка. Повышение температуры, в свою очередь, стимулирует протекание ряда термических процессов: структурных фазовых переходов, отжига дефектов, диффузии, рекристаллизации, плавления, десорбции и испарения с поверхности атомных частиц, термоэлектронной эмиссии и др.

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

Особой разновидностью размерной электронно-лучевой обработки является перфорация, т.е. получение мелких сквозных отверстий заданных формы и размеров в заданном количестве на единицу площади. Так изготавливают металлические и керамические элементы фильтров, пористый материал для камер сгорания ракетных двигателей и для лопаток турбин, фильеры и др.

К лучевым методам размерной обработки относятся: лазерная (светолучевая), электронно-лучевая, плазменная.

Под лучевыми методами размерной обработки понимают процессы удаления материала плавлением и испарением его под действием энергии лучевого потока или высокоэнергетических струй с удельной плотностью энергии 10 Вт/см 2 .

Отличие лучевых методов от сварки и пайки заключается, главным образом, в длительности импульсов. Применяются короткие импульсы и импульсы большой длительности.

Светолучевую обработку материалов производят с помощью оптических квантовых генераторов, называемых лазерами. Лазер способен создавать узкие направленные пучки направленного света, характеризуемые высокой плотностью тепловой энергии. Широко используется кристаллический лазер на основе кристаллического рубина.

Особенностью луча лазера является его высокая когерентность, т.е. параллельность движения, синхронность в фазе и амплитуде составляющих его фотонов, в результате чего расхождение луча, испускаемого лазером, не превышает 1°. Излучение оптического квантового генератора концентрируется на обрабатываемой заготовке с помощью оптической системы.

Преимущества обработки световым лучом перед электронно-лучевой обработкой: можно обрабатывать крупногабаритные детали, не требуется вакуумных камер, обработка ведется в воздушной среде, не нужна защита обслуживающего персонала от рентгеновского излучения, необходимы лишь защитные очки, небольшие габариты оборудования.

Недостатки обработки световым лучом: сравнительно небольшая излучаемая мощность, мощность подкачки намного больше излучаемой мощности, низкий КПД квантовых генераторов, перегрев кристалла и трудности его охлаждения, низкая точность обработки.

Электронно-лучевая обработка имеет ряд преимуществ, обусловливающих целесообразность ее применения: создание локальной концентрации высокой энергии, широкое регулирование и управление тепловыми процессами.

Вакуумные среды позволяют обрабатывать заготовки из легкоокисляющихся активных материалов. С помощью электронного луча можно наносить покрытия в виде пленок.

Недостатком обработки является то, что она возможна только в вакууме.

Сущность плазменной обработки состоит в том, что плазму (полностью ионизированный газ), имеющую температуру 10 000 – 30 000 °С, направляют на обрабатываемую поверхность заготовки.

Плазму получают в плазмотронах. Дуговой разряд возбуждается между вольфрамовым электродом и медным электродом, выполненным в виде трубы и охлаждаемым проточной водой. В трубу подают газ (аргон либо азот) или смесь газов. Обжимая дуговой разряд, газ при соединении с электронами ионизируется и выходит из сопла плазмотрона в виде ярко светящейся струи, которая направляется на обрабатываемую заготовку. Перемещение заготовки регулируется приводом подач.

Плазменным методом обрабатывают заготовки из любых материалов, выполняя прошивание отверстий, вырезку заготовок из листового материала, строгание, точение, разрезание, поверхностное разрушение и плазменную сварку. При прошивании отверстий, разрезке и вырезке заготовок головку плазмотрона устанавливают перпендикулярно к поверхности заготовки, а при строгании и точении – под углом 40 – 60 °.

Плазменный метод не обеспечивает высокую точность и шероховатость обработанной поверхности. Достигаемая шероховатость R_a = 160 – 320 мкм, а точность 0,1 – 0,5 мм.

К достоинствам плазменной обработки можно отнести малую трудоемкость процесса, непрерывность и миниатюризацию техпроцесса, низкие расходы исходных материалов и полное использование сырья, длительную эксплуатацию оборудования, одностадийность процесса.

К недостаткам плазменной обработки относят невысокий коэффициент полезного действия, сильный шум (120 дБ и более) и низкое качество и точность обработки.

Срочно?
Закажи у профессионала, через форму заявки
8 (800) 100-77-13 с 7.00 до 22.00

Высокая плотность энергии сфокусированного электронного луча (так же, как и светового луча ОКГ (оптического квантового генератора — лазера позволяет проводить размерную обработку за счет нагрева и испарения материала с узколокального участка. При этом обрабатываемость материалов не зависит от их механических характеристик. Поэтому магнитные материалы и керамика, легированные стали и ферриты, твердые сплавы и корунд обрабатываются одинаково успешно. Наиболее существенно влияют на обрабатываемость теплофизические характеристики.

Возможность точно дозировать энергию луча позволяет осуществлять широкий круг технологических процессов — от местной термообработки, зонной очистки и сварки до механической обработки.

Оба метода позволяют проводить такие операции, как разрезку материалов, получение фасонных поверхностей, обработку отверстий, затачивание инструментов, балансировку вращающихся деталей. Поскольку инструментом является сфокусированный луч, постольку вопрос об износе инструмента так же, как и об ошибках, связанных с этим износом, полностью снимается.

Размерная обработка электронным лучом (РОЭЛ). При обработке электронным лучом расплавление и испарение материала происходят за счет повышения его температуры при резком торможении потока электронов в месте встречи с обрабатываемой поверхностью.

Чтобы получить мощный поток электронов, электронный пучок, излучаемый вольфрамовым катодом в электронной пушке (рис. 4.14), ускоряют напряжением, приложенным между катодом и анодом, юстируют и фокусируют при помощи системы магнитных линз. Стигматор придает лучу круглую форму, а перемещает луч по поверхности изделий отклоняющая система. Кроме того, изделие, закрепленное на координатном столике, само может перемещаться относительно луча. Все устройство находится в вакуумной камере. Энергия луча (в электрон-вольтах) пропорциональна заряду электронов, их количеству и величине ускоряющего напряжения.

Однако локальная точечная обработка материала непрерывным потоком электронов невозможна, поскольку для быстрого испарения материала требуется нагрев до температуры, превышающей его температуру плавления, и поэтому непрерывное облучение

Рис. 4.14. Схема установки для электронно-лучевой обработки

области обработки приводит к ее перегреву и к возникновению широкой зоны оплавления.|

При размерной обработке заготовок электронная пушка тает в импульсном режиме, что обеспечивает локальный нarев заготовки, Требуемое распределение температур достигается чередованием мощных импульсов и пауз (во время которых происходит отвод теплоты); таким образом, средняя температура зоны обработки остается ниже точки плавления. Аналогичного эффекта достигают при быстром перемещении луча по обрабатываемой поверхности.

Энергетические характеристики электронного луча существественно зависят от его фокусировки, например, импульс мощностью 1 кВт на поверхности диаметром 0,02 мм создает мгновенную плотность энергии 5• 10 6 МВт/м 2 при длительности 3. 4 мс.

Достоинство этого метода —- возможность регулировать энергетические характеристики луча в широких пределах, а также лёгкость управления лучом при помощи отклоняющей системы

Метод РОЭЛ перспективен при обработке отверстий диаметром 10…10 3 мкм, прорезании пазов, резке заготовок, изготовлении тонких пленок и сеток из фольги. Обрабатывают заготовки труднообрабатываемых металлов и сплавов, а также из неметаллических материалов: рубина, керамики, кварца, полупроводниковых материалов. Вакуумные среды позволяют обрабатывать заготовки из легкоокисляющихся активных материалов.

С помощью электронного луча можно наносить покрытия на поверхности заготовок в виде пленок толщиной от нескольких микрометров до десятых долей миллиметра.

Размерная обработка световым лучом (РОСЛ). Световой луч для технологических целей создается лазером — установкой, обеспечивающей усиление светового потока путем возбуждения эмиссии излучения.

Усилители излучения подразделяют на лазеры и мазеры. Первые работают в видимой части электромагнитного спектра (свет), а вторые — в области инфракрасного (ИК) излучения или радиочастот. По агрегатному состоянию усилители подразделяют на твердые с пульсирующим или с непрерывным излучением и газовые с непрерывным излучением, применяют также полупроводниковые лазеры. Принцип действия лазера заключается в следующем. Электроны вещества могут обладать определенной энергией и удерживаться на определенных (стационарных) энергетических уровнях (орбитах). Наиболее устойчивое состояние соответствует минимальной энергии. Если им сообщить энергию извне, он перейдет на более высокую энергетическую ступень (орбиту), т.е. будет возбужден. Такое состояние неустойчиво, и если подвод энергии извне прекращается, электрон возвращается в исходное состояние с эмиссией (испусканием) определенного кванта (фотона) электромагнитной энергии. Такая эмиссия называется спонтанной (самопроизвольной) и наблюдается, например, при флюоресценции, когда в результате возбуждения атомов вещества фотонами эти частцы, возвращаясь в исходное состояние, беспорядочно излучают световые фотоны. Усиление излучения в лазерах достигают за счет так называемой индуктированной (вынужденной) эмиссии.

Достоинства РОСЛ заключаются в следующем: для обработки не требуется создания вакуума, при котором значительно труднее управлять технологическим процессом; нет рентгеновского излучения, сопутствующего обработке лучом электронной пушки; лазерные установки конструктивно проще электронных пушек; в некоторых случаях обработка может осуществляться за прозрачной преградой (например, в запаянной колбе).

Главный недостаток обработки световым лучом — это отсутствие надежных методов управления движением луча по обрабатываемой поверхности, поэтому при обработке перемещается сама заготовка. Из всех известных типов ОКГ (Твердотельных, газовых и полупроводниковых) в технологии пока нашли применение лишь твердотельные лазеры на. кристалле рубина (окиси алюминия, активированной 0,05 % хрома), дающего выходную энергию излучения до 20. 40 Дж, или на стеклянных стержнях активированных неодимом (выходная энергия достигает 100. 120 Дж).

Принцип работы ОКГ, используемого для технологических целей, можно показать на примере такого твердотельного лазе (рис. 4.15).

Инверсия населенностей в твердотельных лазерах создаётся оптической накачкой с помощью ламп-вспышек, световой поток которых поглощается рабочим веществом, возбуждая его.

Питание лампы-вспышки В осуществляется от источника 8 (рис. 4.15, а). Для лучшей концентрации светового потока на эл

менте П применяется рефлектор Г. Значительная часть энергии (до 50 %), поглощенной активным элементом П, тратится на его нагрев, ухудшающий работу ламп. Чтобы исключить это, применяют блок охлаждения 7. Луч света, испускаемый активным элементом, усиливается за счет многократного отражения от глухого зеркала Е и выходного полупрозрачного зеркала Ж и выходит из оптического резонатора в виде узконаправленного светового луча с малым углом расходимости, который с помощью оптической системы 4 можно сфокусировать в точку, линию, группу параллельных лучей, окружность и т.д.

Диапазон длин волн, генерируемых различными типами лазеров, весьма широк и составляет примерно 0,1. 70 мкм. Для технологических целей обычно используют ОКГ, у которых длина волн X находится в пределах 0,4. 10,6 мкм. Диаметр луча на выходе ОКГ без системы 4 определяется размерами активного элемента и зависит в основном от энергии накачки W_н. Несмотря на то, что лазерный луч высококогерентен, он имеет определенную угловую расходимость θ, которая определяется как

где d_a -— диаметр луча в месте его выхода из резонатора.

Практически из-за дифракционных явлении величина 0 на 1 — 2 порядка больше расчетной и составляет единицы или несколько десятков угловых минут.

Длительность импульса τ_им излучения лазера определяется длительностью импульсного разряда лампы-вспышки В, оптическими свойствами активного элемента, свойствами резонатора и температурным режимом. У твердотельных ОКГ τ_им = 0,1 . 5 мс, при этом на протяжении всего импульса генерация происходит отдельными пичками, последовательность которых, как правило, нерегулярная, τ _пич = 1. 5 мкс, а длительность интервала между пичками составляет 0,1. 0,5 мкс в течение основного времени генерации и может увеличиваться до десятков и сотен микросекунд в конце светового импульса (рис. 4.15, б). Средняя мощность импульсного излучения твердотельных ОКГ лежит в диапазоне от единиц до сотен киловатт. Мощность газовых лазеров на нейтральных атомах составляет милливатты, а молекулярных — от единиц до сотен ватт. В последнее время разработаны С0₂-лазеры с быстрой поперечной прокачкой газа, циркулирующего в замкну том объеме. При сравнительно небольших габаритах на них удается получить уровни мощности 6. 10 кВт в непрерывном режиме генерации.

Выходная энергия твердотельных лазеров находится в пределах от долей джоуля до тысяч джоулей, а КПД их не более 1 . 2 %.

Система нуждается в охлаждении, так как при температуре выше 70 °С эффективность работы ухудшается.

Средняя плотность потока энергии в поперечном сечении. при использований фокусируюищх оптических систем может достигать 10 12 МВт/м 2 , сварка и резка тонких пленок осуществляется при плотностях менее 10 4 МВт/м 2 , а размерная обработка материалов значительной толщины — при плотностях потока энергии более 10 2 . 10 3 МВт/м 2 и длительности импульса менее 1,5 мс.

Анализ условий формообразования при обработке лучом ОКГ. Тепловой эффект в зоне обработки возникает вследствие торможения потока фотонов в тонких поверхностных слоях материала. Глуби на обработки определяется в основном длительностью импульса облучения и положением фокуса управляющей линзы относительно поверхности. Вследствие того, что фокус в процессе обработки (рис. 4.16) может оказаться на поверхности заготовки, под поверхностью заготовки или над поверхностью заготовки, имеем три различных случая обработки.

При совпадении фокуса с поверхностью, при действии каждое импульса последовательно возникают две фазы — квазистатическая (как бы равновесная), характерная постепенным нагревом зов обработки, что уменьшает прочностные связи обрабатываемо материала с основным массивом, и динамическая, заключающаяся во взрывоподобном удалении жидких и газообразных продуктов облучения из кратера.

При расположении фокуса в толще обрабатываемого материала на некоторой глубине под поверхностью образуется тепловое ядро из которого в конце импульса через каналы проводимости вырывается расплавленный металл в виде жидкой или паровой фазы. Стенки канала истечения оказываются оплавленными.

При расположении фокального пятна над поверхностью обработки в фокальной области возникает высокотемпературная плазма, вызывающая при высоких плотностях энергии пробой газа,

Рис. 4.16. Образование отверстия:а —фокус луча лазера выше обраты ваемой поверхности;б — фокус на обрабатываемой поверхности;в - ниже обрабатываемой поверхности; фокусное расстояние;F –фокусное расстояние; ΔF— расстоя между фокусом луча и обрабатываемой поверхностью

фронт которого распространяется к фокусирующей линзе, что приводит к поглощению части энергии; однако остальная часть энергии взаимодействует с верхними слоями заготовки, причем, как и в предыдущих случаях, могут осуществляться квазистатическая и динамическая фазы. При значительных смещениях фокуса — (более 1,5 мм) пробой газа поглощает большую часть энергии, и динамическая фаза может не возникнуть. Образование глухих и сквозных отверстий происходит по примерно одинаковой схеме — входная конусная часть отверстия возникает вследствие оплавления стенок истекающим металлом. Бочкообразная форма отверстия соответствует положению фокуса под обрабатываемой поверхностью. Действию плазмы соответствует широкий угол конуса на входной поверхности. При образовании сквозных отверстий возникает выходной конус (на рис. 4.16 не показан).

Макро- и микрогеометрия поверхности, обработанной лучом ОКГ. Состояние поверхности обработки определяется материалом, энергетическими параметрами импульса и положением фокуса. Чем выше энергия импульса и меньше время его действия, тем чище поверхность обработки. Характерные особенности макрогеометрии поверхности — это волнистость, наплывы, впадины. Микрогеометрия зависит от вида материала. Для нержавеющих сталей характерна гладкая с цветами побежалости поверхность с шероховатостью Ra 0,16. 0,08 мкм. Латунь Л 62 дает гладкую поверхность с Ra 0,32. 0,16 мкм, а алюминий — оплавленную матовую поверхность сRa 0,63. 0,32 мкм.

Керамику покрывают слоем стекловидного оплавленного материала с Ra 0,08 . 0,04 мкм. Однако этот слой непрочен и, скалываясь, обнажает поверхность шероховатостью Ra 0,63 . 0,32 мкм.

Повышение качества поверхности и точности обработки ОКГ может быть достигнуто как уменьшением составляющих суммарной погрешности и совершенствованием процессов управления параметрами импульса, так и дополнительными операциями, например калибровкой отверстия струей сжатого воздуха или световым лучом. При этом шероховатость поверхности может быть снижена в 2…4 раза и уничтожаются такие погрешности, как выходной конус и ошибки поперечной формы отверстия.

Лазерную обработку применяют для прошивания сквозных глухих отверстий, разрезки заготовок на части, вырезания заготовок из листовых материалов, прорезания пазов. Этим методом можно обрабатывать заготовки из любых материалов, включая самые твёрдые и прочные. Например, лазерную обработку отверстий применяют при изготовлении диафрагм для электронно-лучевых установок. Диафрагмы изготовляют из вольфрамовой, танталовой, молибденовой или медной фольги толщиной приблизительно 50 мкм, диаметре отверстия 20. 30 мкм. С помощью лазерного луча можно выполнить контурную обработку по аналогии с фрезерованием, т.е. обработку поверхностей по сложному периметру. Перемещениями заготовки относительно луча управляет система ЧПУ, что позволяет прорезать в заготовках сложные криволинейные пазы или вырезать из заготовок детали сложной геометрической формы.

Процесс Эло проводят в вакууме с остаточным давлением газа 5 1 0 ’2-10″3ПА. 6131 32.9 условная схема процесса электронно-лучевой обработки:1-электронно-лучевая пушка;2-катод;3-анод;4-фокусирующая и отклоняющая катушки;5-вакуумная камера;6-заготовка; 7-координатный стол. Формирование, фокусировка и управление электронным пучком осуществляются в электронной пушке. Электроны, испускаемые катодом, ускоряются напряжением до 150 кВ, в результате чего скорость электронов в пучке достигает 20-104 м / с. сфокусированный пучок электронов попадает в рабочую камеру и бомбардирует обрабатываемые поверхности.

Во время удара, кинетическая энергия электронов преобразуется в тепловую энергию обрабатываемого материала. Людмила Фирмаль

Это превращение происходит при повышении температуры вещества за счет неупругого столкновения быстрых электронов с электронами вещества и последующего взаимодействия возбужденного атома с атомной решеткой. Электронно-лучевой нагрев проводили в импульсном режиме. При используемой удельной мощности тепловое воздействие пучка приводит к разрушению нагретого микрообъема материала за один импульс. Разрушение происходит по механизму взрывного кипения за счет удаления материала из зоны обработки в виде пара и капель. В результате в области поверхности, бомбардируемой электронным пучком, образуется дырка. На поверхности отверстия образуется слой расплавленного металла, что снижает точность обработки. Размер отверстия, нагрев и процентное содержание жидкого металла на его стенках регулируются мощностью и длительностью импульса, а также диаметром пучка.

Поверхность, образованная в результате электронно-лучевой обработки, определяется траекторией взаимного перемещения луча и детали. Манипулятор, установленный в рабочей камере, позволяет придавать поступательные и вращательные движения заготовке, а электромагнитная сканирующая система, установленная в электронной пушке, снабжена заданным механизмом. Основная обрабатывающая работа, глухое и сквозное сверление отверстий, производится под углом к поверхности, а при перемещении изделия относительно друг друга образуются неподвижный продукт и балка. 614неподвижного пучка или луча сканируют по контуру изделия и фиксируют срез. Для просмотра шаблона выполните следующие действия: параметрами режима Эло являются ток пучка I, ускоряющее напряжение U, ток фокусирующей системы 7F (для определения диаметра электронного пучка d), рабочее расстояние (от центра фокусирующей системы до поверхности детали). Одним из определяющих параметров процесса является удельный выход q (Вт / см2)): МЕ (32.6)

Где D-диаметр отверстия (обычно на 10-15% больше d). Когда Эло используется исключительно импульсный режим, он уменьшает количество расплавленного металла на обрабатываемой поверхности. Для размерного Эло характерны следующие режимы: моноимпульсная обработка осуществляется одним импульсом, т. е. отверстие получается в течение одного штучного импульса; непрерывный импульс из нескольких импульсов. Установлена следующая эмпирическая зависимость между геометрическими параметрами формируемых отверстий и канавок и параметрами режима. Диаметр DK и глубина H отверстия линейно увеличиваются с ростом энергии IV, DK nhgt длительности импульса T и тока пучка обладает энергетическим свойством: ДК=Кью\ч = СМР \ ДК = к, ихъ; н=(от al1+с+СГ)~’;(32.7)=данные м; н=cxxN где, ке, х к,, КТ, КП, А, B, C-это коэффициент в зависимости от свойств обрабатываемого материала, приведены в библиографии.

Угол схождения луча и положение фокуса луча относительно обрабатываемой поверхности определяют размер и форму отверстия. Максимальная глубина и минимальный диаметр отверстия в результате воздействия одного импульса достигаются при углублении фокуса на 0,1-0,3 мм относительно обрабатываемой поверхности. В этом случае глубина обработки увеличивается на 30%. Микро-отверстие пропускает через луч ток, напряжение и количество одиночных импульсов через оптимальное положение фокуса и длительность одиночного импульса, обеспечивая максимальную производительность обработки. 615X Около б Рис. 32.10 схема Эло: а-перфорация отверстия; б-контурная резка; в-сквозное и глухое фрезерование канавок H=4,4 10-u U U6-l02I, 2n°6. (32.8)импульсный Эло-процесс в оптимальных условиях характеризуется наличием минимального количества жидкой фазы и, как следствие, высокой точностью обработки. О б л А с т р и М Е Н Е Н И я Эло.

Этот способ однократного проникновения при сверлении в производстве кремниевых и циталлических подложек, рубиновых часовых камней, грубого сверления алмазных наконечников, топливной аппаратуры двигателей внутреннего сгорания и других изделий является более совершенным.- Отверстия диаметром 616 мм составляют от 0,01 до 0,5 мм, максимальная глубина-10 мм (для металла) и от 15 до 20 мм (для диэлектриков). Детали и контурная резка сложных форм из листа (рис. Формование пластин с использованием 32.10, Б). Данный способ позволяет получать детали с шириной резания 0,015-0,4 мм и максимальной глубиной обработки 3 мм для феррита, кремния, Германия и штампов. 32.10, ст. ELO предлагает высокую точность и низкую шероховатость обработанных поверхностей. Таким образом, шероховатость является:— 0,>/—*’>/; контурная резка-0, ty-и точность получаемого отверстия составляет~1% от диаметра. К недостаткам способа относятся: необходимость использования вакуумной среды при обработке любого материала; ограниченный диапазон работы; высокое давление и вакуумное оборудование.

Во многих случаях обработка световым лучом (SLO) заменяет электронный луч, поскольку лазерная обработка выполняется на воздухе и не требует специальной вакуумной камеры, когда световой луч (лазер) обрабатывает концентрированный поток мощной электромагнитной энергии, генерируемой оптическим квантовым генератором (ОКГ) для удаления материала при формировании детали. Он позволяет обрабатывать материалы независимо от их твердости и вязкости. Этот метод используется для сверления, резки заготовок, фрезерования канавок и др. Благодаря созданию мощного промышленного оборудования, размерная обработка лазеров применяется не только для обработки прецизионных деталей, но и в машиностроении. Схема процесса показана на рисунке. 32.11, а, б.

Сильный поток электромагнитной энергии генерируется оптическим квантовым генератором (ОКГ). В соответствии с техническим заданием диаметр пучка в фокусе оптической системы составляет 0,001-0,2 мм, а удельная мощность-1-Ю6-1-Ю9вт / см2. Световой поток, падающий на поверхность обрабатываемого материала, частично отражается, основная часть которого поглощается электронами проводимости поверхностного слоя материала, что увеличивает его энергию. Электроны передают энергию кристаллической решетке, что вызывает нагрев, плавление и испарение металла. Нагрев в слоях осуществляется в импульсном режиме. При удельной мощности 107-108 Вт/см2 тепловое воздействие пучка вызывает разрушение нагретого материала в течение одного импульса.

Разрушение происходит по механизму взрывного объемного кипения за счет удаления материала в виде пара и капель. Кипению способствует газ, растворенный в материале. В результате в зоне воздействия лазерного луча образуется отверстие. 617). 32.11 общепринятые схемы лазерной обработки (а) и газолазерной резки (Б): 1-оптический квантовый генератор;2-зеркало; 3-затвор; 4-линза; 5-окно; 6-заготовка; 7-отверстие (кратер) Практическое применение разрушения металлов объемным кипением и испарением, в частности, требует больших энергетических затрат. Значительное снижение энергопотребления достигается за счет использования вспомогательных газов для удаления разрушающего продукта из зоны обработки. При лазерной резке излучение ОКГ приводит к локальному плавлению металла, а удаление расплава из режущего канала осуществляется за счет динамического воздействия газа(см. Рисунок). 32.11, б).

Образовательный сайт для студентов и школьников

Читайте также: