Плазменная обработка материалов реферат

Обновлено: 03.05.2024

Магнитоимпульсная обработка металлов (МИО) - это способ пластической деформации металлов и их сплавов, осуществляемый при прямом преобразовании электрической энергии в механическую непосредственно в самом обрабатываемом изделии. Деформация токопроводящих материалов происходит в результате взаимодействия импульсного магнитного поля, создаваемого внешним источником, с током, индуктируемым этим полем в обрабатываемой детали.

Для возбуждения импульсного магнитного поля используется токопроводящий элемент, который называется индуктором и может иметь разнообразную форму.

Рис.1. Магнитоимпульсная формообразование.

Проходящий по витку ток создает вокруг него магнитное поле. Если в это магнитное поле ввести проводящий контур (2), то в нем возникнут вихревые токи, величина которых пропорциональна скорости изменения магнитного потока. Взаимодействие вихревого тока в контуре с внешним магнитным полем витка приводит к появлению механических давлений за счет пондермоторных сил.

Для создания местной деформации между витком (1) и заготовкой (2) вводится металлический концентратор (3).

Давление, которое оказывает электромагнитное поле на заготовку, определяется соотношением:

где В - магнитная индукция поля в воздушном зазоре; ? - абсолютная магнитная проницаемость среды.

Давление на заготовку достигает значений 4•109 Н/м2 (при В=1 МГс).

Формирование изделий электромагнитным полем осуществляется на установках, имеющих принципиальную схему

Рис.2. Принципиальная схема установки: 1 - высоковольтный трансформатор; 2 - выпрямитель; 3 - зарядное сопротивление; 4 - конденсатор; 5 - разрядник; 6 - индуктор.

Одним из основных узлов установки является индуктор, от надежности которого зависит эффективность процесса. Так как при деформациях индуктор испытывает силовое воздействие, то его изготавливают из материала, с высоким пределом текучести и высокой температурой плавления, например меди, бериллиевой бронзы, стали, вольфрама. Динамическая прочность индуктора может быть повышена за счет увеличения массивности и улучшения межвитковой изоляции.

Режимы электромагнитной обработки выбирают исходя из коэффициента формуемости различных материалов, который определяется по формуле:

где ? - удельное электрическое сопротивление металла; ? - плотность металла.

К примеру для меди k=500000 Гс/м, для нержавеющих сталей k=3•107 ГС/м.

При обработке деталей изготовленных из металлов с большим сопротивлением, на них накладывают медную фольгу или наносят гальваническим способом медь.

Достоинства электромагнитной импульсной формовки:

1. Большие скорости обработки, позволяющие формовать детали из маловязких и твердых металлов, которые не поддаются пластической деформации при обычных скоростях;

2. Отсутствие механического соприкосновения между деталью и индуктором, что дает возможность штамповать металлы с нанесенными защитными покрытиями;

3. Относительная несложность;

4. Технологическая гибкость;

5. Лучшие условия труда по сравнению с условиями труда при других методах обработки деталей давлением и т.д.

1. Сравнительно низкий КПД из-за потерь на нагрев и рассеяние;

2. Сложность обработки деталей с отверстиями или пазами, мешающими прохождению тока;

3. Невысокая долговечность индукторов при работе в электрических полях высокой напряженности;

4. Сложность обработки заготовок больших толщин.

Метод магнитоимпульсной обработки используется для операций развальцовки тонкостенных металлических заготовок любых форм; опрессовки хрупких материалов; чеканки; соединения металлических деталей с неметаллическими; штамповки из металлического листа и т.д.

Электрогидравлическая обработка

Электрогидравлическая обработка материалов - это формообразование фасонных изделий из тонколистового материала с использованием направленных ударных волн высокой интенсивности, возникающих в жидкости при импульсном электрическом разряде.

Обработка заготовок происходит за счет возникновения высокого давления в зоне обработки в результате высоковольтного электрического разряда между погруженными в непроводящую жидкость электродами. За счет энергии импульсной ударной волны, распространяющейся вокруг канала разряда в рабочей среде, возникает давление до 300 Мн/м2. Основными факторами формообразования методом электрогидравлического разряда являются:

- сверхвысокие ударные гидравлические давления;

- мощные кавитационные процессы;

Электрогидравлическая обработка осуществляется по следующей схеме:

Рис.3. Принципиальная схема для электрогидравлической обработки, где РП - разрядный промежуток.

Для возбуждения разряда требуемой траектории используется различное расположение электродов, а также различные формы проволочек, закорачивающих межэлектродный промежуток.

Рис.4. Схема электрогидравлической штамповки детали.

Плазменная обработка

В технологии приборостроения, радиоаппаратостроения и металлообработки плазма применяется в виде узконаправленной горячей струи, способной расплавить и испарить практически все материалы: как материалы так и не материалы.

По конструкции плазматроны разделяются на сепараторы прямого и косвенного действия.

Рис.5. Устройство плазматрона: 1 - сопло; 2 - вольфрамовый электрод; 3 - ввод плазменного газа; 4 - изделие; 5 - канал для подачи присадочного порошка.

Для получения плазмы используются электролитический дуговой разряд, через который с помощью сопла продувается плазмообразующий газ (аргон, азот, воздух или их смесь). Питание плазматрона осуществляется от мощного электрического источника с напряжением 200-500 В и током 300-400 А. Необходима стабилизация дуги, чтобы горячая струя не замкнулась на сопло и не расплавила его, а также с целью некоторой фокусировки. Она осуществляется аксиальным потоком газа, либо суженными стенками охлаждаемого сопла.

Плазменная обработка используется в процессах, требующих высокотемпературного концентрированного нагрева: резка, прошивка отверстий, микро - и макросварка, нанесение покрытий, восстановление изношенных деталей, плавка.

Наплавка износостойких покрытий осуществляется с целью повышения эксплуатационных свойств детали.

Применяют порошкообразные материалы со специальными свойствами - высокой твердостью, повышенной износостойкостью, коррозионно - и термостойкостью (оксиды или карбиды бора, вольфрама). Детали получаются с дешевой сердцевиной из конструктивных материалов, а на ответственных участках создаются необходимые свойства. Значительно снижаются расходы дорогостоящих легирующих материалов. Толщина слоев может достигать нескольких мм. Технология: наносимый материал используется в виде пасты; происходит расплавление и сварка слоя наплавляемого материла с основным материалом. В этом случае применяются плазменные горелки косвенного действия.

Напыление. Напыляемый материл нагревается в плазматроне. Температура подложки в зависимости от цели напыления может быть различной. Формируются слои небольшой толщины - от нескольких мкм до одного мм. Для увеличения адгезии напыленного слоя стремятся повысить степень химического воздействия покрытия с подложкой за счет ее разогрева или введения промежуточных химически активных слоев.

Плазменная резка. Достоинства: обрабатываются любые металлы толщиной до 100-150 мм, меньшая ширина реза чем при газовой резке, лучшая поверхность, меньшая зона термических изменений. Скорость: 0,5-1,5 см/с в зависимости от толщины.

Для плазменной резки используются плазматроны прямого действия. Плазмообразующий газ - аргон, азот, водород или воздух. При микроплазменной резке ток 50-100 А, толщина резки до 8 мм, ширина реза до 1-го мм.

Лазерная обработка материалов

Общая характеристика процессов взаимодействия лазерного излучения с веществом

Лазерная обработка проводится с помощью остросфокусированного светового луча, излучаемого оптическим квантовым генератором (ОКГ). Излучение ОКГ является узконаправленным и монохроматичным. Угловая расходимость луча для рубина составляет 30?, для стекла с примесью ниодима - 10?.

Рис.6. Схема технологической лазерной установки.

Минимальный размер пятна d0, до которого может быть сфокусирован луч ОКГ, достигает значений 1 мкм.

Процесс взаимодействия лазерного излучения с обрабатываемым материалом можно разделить на следующие стадии:

- поглощение света с последующей передачей энергии тепловым колебаниям решетки твердого тела;

- нагрев материала без разрушения, включая и плавление;

- разрушение материала путем испарения и выброса его расплавленной части;

- остывание после окончания воздействия.

Процессы обработки материалов излучением ОКГ удобно рассматривать пользуясь графиком зависимости удельного выноса вещества ? от плотности поглощенного светового потока q.

Под удельным выносом веществу ? понимается масса удельного вещества, приходящаяся на единицу падающей энергии.

Рис.7. Зависимость выноса вещества от падающей энергии.

При малых плотностях светового потока материал лишь нагревается излучением. Приближение значения q к q0 приводит к образованию расплавленной зоны в месте локализации излучения на поверхности. Поэтому в области значений q=q0 целесообразно производить сварку материалов. По мере дальнейшего роста плотности светового потока начинается процесс разрушения материала сначала за счет испарения (при q0 109 Вт/см2 "испарительный" механизм разрушения сменяется "взрывным" и удельный вынос вещества уменьшается примерно в 5 раз.

Рассмотренная выше зависимость позволяет обосновать энергетические режимы лазерной обработки. В области потоков до q0 производится термическая обработка поверхности изделий, сопровождаемая локальным нагревом и плавлением. В области потоков от q1 до q3, сопровождаемых разрушением и выбросом расплавленной части материала, производится резка и сверление отверстий.

Для повышения точности и качества формируемых отверстий используется многоимпульсная обработка материала.

Она заключается в том, что отверстия получаются в результате воздействия серии коротких импульсов (0,1-0,2 мс), период следования которых значительно больше времени остывания материала. Положительный эффект при многоимпульсной обработке достигается за счет:

- повышении динамической прочности материала при укорочении времени термоудара;

- более равномерным по отношению к непрерывной обработке распределением остаточных напряжений по толщине материала.

При многоимпульсной обработке глубина отверстий достигает 1-5 мм и может быть в 25 раз больше диаметра.

Электронно-лучевая обработка

Электронно-лучевая обработка основана на использовании энергии потока направленных электронов для формирования поверхностей деталей путем нагрева, плавления и испарения материала в зоне обработки. Для обработки материалов электронным лучом используются специальные установки, в которых формируются мощные направленные пучки электронов. Принципиальная схема такой установки приведена на рис.8.3. Основными ее элементами являются катодный узел и системы фокусировки и перемещения луча (детали). Электронная пушка состоит из подогревного катода 1, фокусирующего электрода 14 и ускоряющего анода 2. Пучок электронов 3, испускаемых поверхностью нагретого катода 1, собирается в узкий луч фокусирующим электродом 14 и ускоряется разностью потенциалов между анодом 2 и катодом 1. Для сужения электронного пучка до необходимых размеров используются электростатические и электромагнитные линзы 4 и диафрагма 5. Пройдя через них, луч попадает на обрабатываемую деталь 10, укрепленную на рабочем столе 11. Обработка выполняется в камере 12, в которой создается глубокий вакуум (133•10-6 Па). Наблюдение за процессом обработки проводится с помощью оптической системы 8, окуляра 13, полупрозрачного зеркала 7 и подсветки 6.

В настоящее время существуют две основные системы управления лучом. В первой системе луч движется по поверхности обрабатываемой детали, и линия обработки совпадает с траекторией движения луча. Движение луча задается либо ЭВМ, которая управляет отклоняющей системой 9, либо светокопировальным устройством, которое состоит из фотошаблона, осветительной системы и фотоэлектронного усилителя (ФЭУ). Свет, проходя через фотошаблон, попадает на ФЭУ, усиливается в нем и в качестве управляющего сигнала поступает на отклоняющую систему. В некоторых случаях по заданной программе может двигаться рабочий стол. Во второй системе луч последовательно проходит всю поверхность детали по строчкам, а специальное устройство отпирает электронную пушку лишь в местах обработки.

Рис.8. Принципиальная схема установки формирования направленных пучков электронов.

При воздействии электронного луча на материал электроны проникают на некоторую глубину ?. Ее величина зависит от ускоряющего напряжения U и плотности материала ?:

При проникновении электронов в материал их энергия передается электронам и ядрам атомов. Большая часть кинетической энергии электронов переходит в тепловую энергию, оставшаяся часть превращается в электромагнитное излучение фотонов, рентгеновское, излучение и эмиссию вторичных электронов.

Технологические характеристики электронно-лучевой обработки (производительность, точность, шероховатость поверхности и т.п.) во многом определяются возможностями оборудования (табл.1), энергетическими параметрами электронного пучка, свойствами обрабатываемого материала.

Плазменная обработка, обработка материалов низкотемпературной плазмой, генерируемой дуговыми или высокочастотными плазматронами. При плазменной обработке изменяется форма, размеры, структура обрабатываемого материала или состояние его поверхности. Плазменная обработка включает: разделительную и поверхностную резку, нанесение покрытий, наплавку, сварку, разрушение горных пород (плазменное бурение).

Резка металлов осуществляется сжатой плазменной дугой, которая горит между анодом (разрезаемым металлом) и катодом плазменной горелки. Стабилизация и сжатие токового канала дуги, повышающее её температуру, осуществляются соплом горелки и обдуванием дуги потоком плазмообразующего газа (Ar, N₂ , H₂ , NH₄ и их смеси). Для интенсификации резки металлов используется химически активная плазма. Например, при резке воздушной плазмой O₂ , окисляя металл, даёт дополнительный энергетический вклад в процесс резки. Плазменной дугой режут нержавеющие и хромоникелевые стали, Cu, Al и др. металлы и сплавы, не поддающиеся кислородной резке. Высокая производительность плазменной резки позволяет применять её в поточных непрерывных производственных процессах. Мощность установок достигает 150 кВт. Неэлектропроводные материалы (бетоны, гранит, тонколистовые органические материалы) обрабатывают плазменной струей (дуга горит в сопле плазменной горелки между её электродами). Нанесение покрытий (напыление) производится для защиты деталей, работающих при высоких температурах, в агрессивных средах или подверженных интенсивному механическому воздействию. Материал покрытия (тугоплавкие металлы, окислы, карбиды, силициды, бориды и др.) вводят в виде порошка или проволоки в плазменную струю, в которой он плавится, распыляется, приобретает скорость ~ 100 — 200 м/сек и в виде мелких частиц (20—100 мкм) наносится на поверхность изделия. Плазменные покрытия отличаются пониженной теплопроводностью и хорошо противостоят термическим ударам. Мощность установок для напыления 5—30 кВт, максимальная производительность 5 — 10 кг напыленного материала в час. Для получения порошков со сферической формой частиц, применяемых в порошковой металлургии, в плазменную струю вводят материал, частицы которого, расплавляясь, приобретают под действием сил поверхностного натяжения сферическую форму. Размер частиц может регулироваться в пределах от нескольких мкм до 1 мм. Более мелкие (ультрадисперсные) порошки с размерами частиц 10 нм и выше получают испарением исходного материала в плазме и последующей его конденсацией.

Свойство плазменной дуги глубоко проникать в металл используется для сварки металлов. Благоприятная форма образовавшейся ванны позволяет сваривать достаточно толстый металл (10— 15 мм) без специальной разделки кромок. Сварка плазменной дугой отличается высокой производительностью и, вследствие большой стабильности горения дуги, хорошим качеством. Маломощная плазменная дуга на токах 0,1—40 а удобна для сварки тонких листов (0,05 мм) при изготовлении мембран, сильфонов, теплообменников из Ta, Ti, Mo, W, Al.

Рис. 1. Схема дуговых плазматронов: а — осевой; б — коаксиальный; в с тороидальными электродами; г — двустороннего истечения; д — с внешней плазменной дугой; е — с расходуемыми электродами (эрозионный); 1 — источник электропитания; 2 — разряд; 3 — плазменная струя; 4 — электрод; 5 — разрядная камера; 6 — соленоид; 7 — обрабатываемое тело.

Стабилизация разряда в дуговых плазматронах осуществляется магнитным полем, потоками газа и стенками разрядной камеры и сопла. Один из распространённых способов магнитной стабилизации плазменноструйных плазматронов с анодом в форме кольца или тора, коаксиального катоду, состоит в создании (с помощью соленоида) перпендикулярного плоскости анода сильного магнитного поля, которое вынуждает токовый канал дуги непрерывно вращаться, обегая анод. Поэтому перемещаются по кругу анодные и катодные пятна дуги, что предотвращает расплавление электродов (или их интенсивную эрозию, если они выполнены из тугоплавких материалов).

Плазматроны с плазменной струёй обычно используют при термической обработке металлов, для нанесения покрытий, получения порошков с частицами сферической формы, в плазмохимической технологии и пр.; плазматроны с внешней дугой служат для обработки электропроводных материалов; плазматроны с расходуемыми электродами применяют при работе на агрессивных плазмообразующих средах (воздухе, воде и др.) и при необходимости генерации металлической, углеродной и т.д. плазмы из материала электродов (например, при карботермическом восстановлении руд).

Мощность дуговых плазматронов 10 2 —10 7 Вт; температура струи на срезе сопла 3000—25000 К; скорость истечения струи 1—10 4 м/сек; промышленное кпд 50—90%; ресурс работы (определяется эрозией электродов) достигает несколько сотен ч, в качестве плазмообразующих веществ используют воздух, N2, Ar, H₂ , NH₄ , O₂ , H₂ O, жидкие и твёрдые углеводороды, металлы, пластмассы.

Рис. 2. Схемы высокочастотных плазматронов: а — индукционный; б ёмкостный; в — факельный; г — сверхвысокочастотный; 1 — источник электропитания; 2 — разряд; 3 — плазменная струя; 4 — индуктор; 5 — разрядная камера; 6 — электрод; 7 — волновод

Для пуска плазматрона, т. е. возбуждения в нём разряда, применяют: замыкание электродов, поджиг вспомогательного дугового разряда, высоковольтный пробой межэлектродного промежутка, инжекцию в разрядную камеру плазмы и др. способы. Основные тенденции развития плазматронов: разработка специализированных плазматронов и плазменных реакторов для металлургической, химической промышленностей, повышение мощности в одном агрегате до 1 — 10 МВт, увеличение ресурса работы и т.д.

Плазменная горелка, ручной дуговой плазматрон для нанесения покрытий, резки, сварки, наплавки и др. процессов плазменной обработки. По принципу действия различают две группы плазменных горелок: для работы плазменной дугой и для работы плазменной струёй. При механизированной обработке плазменная горелка закрепляется на специальной установке; для нанесения покрытий и наплавки она обычно оснащается устройством для подачи распыляемого или наплавляемого материала (в виде порошка или проволоки). Такая плазменная горелка называется плазменной головкой. Мощность плазменной горелки достигает 100 кВт, плазмообразующими газами служат Ar, Не, N₂ , NH₄ , воздух и их смеси. Для зажигания дугового разряда в начале работы необходимо замкнуть зазор между катодом и анодом плазменной горелки (плазменная струя) или между катодом и обрабатываемым металлом (плазменная дуга) или иным образом возбудить разряд.

Функция "чтения" служит для ознакомления с работой. Разметка, таблицы и картинки документа могут отображаться неверно или не в полном объёме!

Резка металлов осуществляется сжатой плазменной дугой, которая горит между анодом (разрезаемым металлом) и катодом плазменной горелки. Стабилизация и сжатие токового канала дуги, повышающее её температуру, осуществляются соплом горелки и обдуванием дуги потоком плазмообразующего газа (Ar, N2, H2, NH4 и их смеси). Для интенсификации резки металлов используется химически активная плазма. Например, при резке воздушной плазмой O2, окисляя металл, даёт дополнительный энергетический вклад в процесс резки. Плазменной дугой режут нержавеющие и хромоникелевые стали, Cu, Al и др. металлы и сплавы, не поддающиеся кислородной резке. Высокая производительность плазменной резки позволяет применять её в поточных непрерывных производственных процессах. Мощность установок достигает 150 кВт. Неэлектропроводные материалы (бетоны, гранит, тонколистовые органические материалы) обрабатывают плазменной струей (дуга горит в сопле плазменной горелки между её электродами). Нанесение покрытий (напыление) производится для защиты деталей, работающих при высоких температурах, в агрессивных средах или подверженных интенсивному механическому воздействию. Материал покрытия (тугоплавкие металлы, окислы, карбиды, силициды, бориды и др.) вводят в виде порошка или проволоки в плазменную струю, в которой он плавится, распыляется, приобретает скорость ~ 100 — 200 м/сек и в виде мелких частиц (20—100 мкм) наносится на поверхность изделия. Плазменные покрытия отличаются пониженной теплопроводностью и хорошо противостоят термическим ударам. Мощность установок для напыления 5—30 кВт, максимальная производительность 5 — 10 кг напыленного материала в час. Для получения порошков со сферической формой частиц, применяемых в порошковой металлургии, в плазменную струю вводят материал, частицы которого, расплавляясь, приобретают под действием сил поверхностного натяжения сферическую форму. Размер частиц может регулироваться в пределах от нескольких мкм до 1 мм. Более мелкие (ультрадисперсные) порошки с размерами частиц 10 нм и выше получают испарением

Похожие работы

2014-2022 © "РефератКо"
электронная библиотека студента.
Банк рефератов, все рефераты скачать бесплатно и без регистрации.

"РефератКо" - электронная библиотека учебных, творческих и аналитических работ, банк рефератов. Огромная база из более 766 000 рефератов. Кроме рефератов есть ещё много дипломов, курсовых работ, лекций, методичек, резюме, сочинений, учебников и много других учебных и научных работ. На сайте не нужна регистрация или плата за доступ. Всё содержимое библиотеки полностью доступно для скачивания анонимному пользователю

Вся база рефератов, курсовых, дипломных работ и прочих учебных материалов предоставляется бесплатно. Используя материалы сайта Вы подтверждаете, что ознакомились с пользовательским соглашением и согласны со всеми его пунктами в полной мере.