Logo GenDocs.ru

Поиск по сайту:  

Загрузка...

Лекции - Электрофизические и электрохимические способы обработки материалов - файл Эектрофизическая и электрозимическая обработка материалов.doc


Лекции - Электрофизические и электрохимические способы обработки материалов
скачать (4770.3 kb.)

Доступные файлы (1):

Эектрофизическая и электрозимическая обработка материалов.doc7684kb.31.01.2009 19:21скачать

Эектрофизическая и электрозимическая обработка материалов.doc

1   2   3   4   5   6   7

^ 4. УЛЬТРАЗВУКОВАЯ ОБРАБОТКА МАТЕРИАЛОВ


Введение. Ультразвуковые колебания (У.З.) — это упругие волны, распространяющиеся в материальных средах (твердых телах, жидкостях, газах).

По частоте УЗ распространяются от верхней границы диапазона слышимости звуков (≈ Гц) до частоты Гц Упругие колебания во всех диапазонах частот – звуковых и УЗ – подчиняются одним и тем же физическим законам, но в средах, где распространяются УЗ колебания, возникают специфические эффекты, которые во многих областях техники используются для интенсификации различных процессов.

УЗ применяют также как средство для получения информации при измерении глубины и для обнаружения дефектов в изделиях, он позволяет определять изменение химического состава вещества, вязкость полимерного материала. В медицине УЗИ — для определения пола новорожденного.

С помощью УЗ производят поверхностное упрочнение, размерную обработку, очистку, сварку металлических и неметаллических материалов, пайку, пропитку пористых материалов и тканей, прессование и спекание порошков, дегазацию и т.д.

Теоретические аспекты УЗ изучает акустика, которая как раздел физики получила значительное развитие уже в XIX столетии. Основы теории колебаний и нелинейной акустики были разработаны Дж. У.Релеем. Более глубокое исследование УЗ колебаний стало возможным после открытия эффекта магнитострикции (Дж. П.Джоулем) и пьезоэлектричества (П.Кюри).

Магнитострикция — способность ферромагнитных металлов и сплавов изменять размеры поперечного сечения и длину сердечника в переменном магнитном поле. Материалы: никель, железокобальтовые сплавы (пермендюр), железоалюминиевые сплавы (альфер), ферриты и др. материалы.

При возникновении электромагнитного поля размеры поперечного сечения сердечника уменьшаются, а так как объем его остается постоянным, то длина сердечника увеличивается. При исчезновении поля первоначальные размеры сердечника восстанавливаются.

При УЗО используются колебания электромагнитного поля с УЗ частотой в пределах 18…44 (16…30) кГц. Амплитуда колебаний сердечника составляет 5…10 мкм. Для увеличения амплитуды колебаний к сердечнику крепят длинный тонкий стержень-концентратор (резонансный волновод переменного поперечного сечения), что позволяет получить амплитуду колебаний его торца до 50…80 мкм. К концентратору крепят рабочий инструмент-пуансон.

Благодаря исследованиям советской школы физиков-акустиков УЗ стал широко применяться в промышленности. В СССР группой исследователей под руководством А.И.Маркова впервые предложены методы интенсификации процессов резания металлическим инструментом и обработки электропроводных материалов при УЗ воздействии. (Большой вклад в развитие технологии и оборудования размерной УЗО внесли Л.Д.Розенберг, В.Ф.Казанцев, Д.Ф.Якимович, Б.Е.Мечетнер).

В конце 50-х годов XX века исследователи обнаружили, что если торец УЗ излучателя приблизить к поверхности сосуда, в котором находится абразивная суспензия, то поверхность в месте контакта торца излучателя с сосудом разрушается, причем форма полученного углубления повторяет рельеф торца излучателя. Это позволило создать новую разновидность размерной обработки [1].



1. Схема ультразвуковой обработки заготовок


Существует несколько схем размерной обработки заготовок.

1.1.Размерная обработка заготовок из твердых хрупких материалов абразивными зернами, движущимися за счет действия УЗ инструмента.

Данный способ применяется для обработки стекла, керамики, ситаллов, кремния, германия, то есть для материалов, обработка которых другими методами затруднена.








Рисунок 4.1 — Схема прошивания отверстий

1 – УЗ преобразователь; 2 – концентратор; 3 – инструмент — пуансон; 4 – суспензия абразивная; 5 – заготовка; 6 – ванна; 7 – насос; 8 – патрубок; 9 – источник тока; 10 – генератор УЗ частоты.


Под пуансоном-инструментом 3 устанавливают заготовку 5 и в зону обработки под давлением подают абразивную суспензию, состоящую из воды и абразивного материала: карбида бора, карбида кремния или электрокорунда.

Инструмент поджимают к заготовке с силой 1…60 H. Обработка заключается в том, что инструмент 3, колеблющийся с УЗ частотой, ударяет по зернам абразива 4, лежащим на обрабатываемой поверхности, со статической силой =30…200 Н; абразивные зерна скалывают частицы материала заготовки 5. Большое число одновременно ударяющихся абразивных зерен, а также высокая частота повторения ударов (до 30 тыс. раз в с.) обусловливает интенсивный съем материала.

Кавитационные явления в жидкости способствуют интенсивному перемешиванию абразивных зерен под инструментом, замене изношенных зерен новыми, а также разрушению обрабатываемого материала.

Прокачивание суспензии насосом исключает оседание абразивного порошка на дне ванны и обеспечивает подачу в зону обработки абразивного материала.

Между пуансоном и заготовкой обеспечивают постоянный зазор 50…80 мкм.

Сообщая инструменту и заготовке различные виды подач (продольную, поперечную) и меняя профиль сечения инструмента, можно прошивать глухие и сквозные отверстия, обрабатывать плоскости, углубления, пазы при прямом и обратном копировании, разрезать заготовки больших размеров, обрабатывать криволинейные и кольцевые пазы по копиру, производить шлифование и полирование.





Рисунок 4.2 — Схема разрезки непрофилированным инструментом – тон кой проволокой

1,7 – катушки; 2 – концентратор; 3 – преобразователь; 4 – проволока — инструмент; 5 – сопло для подачи суспензии; 6 – заготовка.


Принцип работы следующий. Ультразвуковой концентратор 2, соединенный с преобразователем 3, возбуждает колебания в проволоке-инструменте 4, перематываемой с катушки 1 на катушку 7. Заготовка 6 прижимается с небольшим усилием к проволоке 4, а в зону их контакта подается абразивная суспензия из сопла 5.

По такой схеме производят контурное вырезание, обработку пазов и щелей, разрезание заготовок.


1.2. Интенсификация процессов резания при сообщении вынужденных УЗ колебаний металлическим или абразивным режущим инструментом.





Рисунок 4.3 — Схема резания

1 – заготовка; 2 – инструмент; 3 – концентратор; 4 – УЗ преобразователь.


На режущий инструмент 2 подаются УЗ колебания от концентратора 3, соединенного с УЗ преобразователем 4. Режущему инструменту сообщается продольная подача. Заготовка 1 имеет продольную подачу и вращение. В место контакта инструмента и заготовки подается абразивная суспензия.

Такой способ используется при сверлении, зенкеровании, развертывании, нарезании резьб в труднообрабатываемых материалах; при точении и зубодолблении заготовок из вязких металлов, при шлифовании, абразивно-алмазной доводке.

Ультразвуковая обработка позволяет повысить производительность, качество поверхностного слоя, снизить силы резания и крутящий момент. (Например, при нарезании резьбы метчиками крутящий момент уменьшается на 25…50%).


1.3 Очистка шлифовальных кругов Рисунок 4.4 — Схема очистки

1 – преобразователь; 2 – концентратор — инструмент; 3 – шлифовальный круг.


Колеблющийся с УЗ частотой инструмент 2, соединенный с УЗ преобразователем 1, располагается на некотором расстоянии от шлифовального круга 3.

В пространство между кругом и инструментом подается очищающая жидкость, в которой при воздействии на нее УЗ колебаний возникают эффекты, способствующие интенсивной очистке поверхности шлифовального круга от засаливания


1.4. Ультразвуковое упрочнение поверхности




Рисунок 4.5 — Схема ультразвукового упрочнения

1 – заготовка; 2 – инструмент; 3 – концентратор; 4 – преобразователь.


Это чистовая обработка. Ультразвуковой инструмент 2 выполнен в виде шарика, который связан с концентратором 3 колебаний, поступающих от преобразователя 4.

Шарик 2 может быть жестко закреплен (припаян), но может и не иметь жесткого контакта с концентратором.

Инструмент прижимается с небольшим усилием к вращающейся заготовке 1. Ультразвуковые колебания значительно снижают сопротивление пластической деформации поверхностного слоя заготовки 1, который приобретает наклеп.

Особенно эффективен этот способ при изготовлении нежестких тонкостенных деталей.


1.5. Обработка мелких деталей свободным абразивом

Данная схема применяется в основном для снятия заусенцев.





Рисунок 4.6 — Схема обработки свободным абразивом

1 – ванна; 2 – абразивная суспензия; 3 – деталь; 4 – инструмент; 5 – концентратор; 6 – преобразователь.


Детали 3 помещаются в ванну 1, в которую заливается абразивная суспензия 2. Ультразвуковые колебания в жидкости возбуждаются инструментом 4, торец которого служит дном ванны. Инструмент соединен с УЗ преобразователем 6 через концентратор 5.

Детали 3 находятся в жидкости во взвешенном состоянии. Для ускорения процесса к жидкости прикладывают статическое давление . Удаление заусенцев происходит в результате кавитационного разрушения и обработки абразивными зернами.

Чтобы спроектировать технологический процесс, рационально конструировать аппаратуру, необходимо знать физический механизм воздействия УЗ колебаний, уметь правильно подобрать, а при необходимости рассчитать УЗ преобразователь: рассчитать, спроектировать и изготовить рабочие инструменты.




2.Технологические показатели ультразвуковой обработки


2.1 Влияние технологических и акустических параметров на размерную обработку

Процесс ультразвуковой размерной обработки зависит от многих технологических параметров, как правило, взаимно влияющих один на другой — твердости и концентрации абразива, частоты и амплитуды колебания инструмента, его износа, статической нагрузки.

Каждый из этих факторов влияет на производительность и качество изготовления.

Материал заготовки в значительной степени определяет характер его разрушения. Все материалы по характеру деформации и разрушения при УЗО разделены на три группы. В основу этого деления положен критерий хрупкости — . Это есть отношение сопротивления сдвигу к временному сопротивлению на разрыв.

^ Первая группа, — стекло, кварц, ситалл, керамика, германий, кремний, ферриты. При УЗО они практически не подвергаются пластической деформации.

^ Вторая группа, 1<<2 — твердые сплавы; закаленные, цементированные и азотированные стали, сплавы титана и вольфрама. При УЗО наряду с упругими деформациями происходят и микропластические деформации. Чем большую роль играют пластические деформации, тем хуже обрабатываемость.

^ Третья группа 1 — почти вся работа абразивных зерен расходуется на микропластическую деформацию поверхностных слоев; разрушения материала почти не наблюдается. Их нецелесообразно подвергать УЗО.


Абразивная суспензия


Зерна абразива по твердости не должны уступать обрабатываемому материалу.

Обычно применяют карбид бора, который хорошо смачивается водой и благодаря сравнительно небольшой плотности удовлетворительно переносится жидкостью.

Карбид кремния, электрокорунд — применяются для изготовления деталей из стекла, германия.

Если производительность обработки стекла карбидом бора принять за единицу, то производительность обработки карбидом кремния — 0,8…0,85, а электрокорундом — 0,7…0,75.

В качестве жидкости обычно используют воду, обладающую малой вязкостью, удовлетворительной смачивающей способностью и хорошими охлаждающими свойствами. В воду добавляют ингибитор коррозии.

Использование добавок, оказывающих химическое действие на обрабатываемый материал — 15%-ного водного раствора сернокислой меди — повышает производительность обработки твердых сплавов в 1,7…2,5 раза.

Размер зерна абразива — ширина зерна под микроскопом. Уменьшение размера абразивных зерен вызывает снижение производительности (особенно если размеры зерна меньше амплитуды колебаний). С другой стороны, чем меньше зерно, тем выше точность изготовления.


Концентрация абразива в суспензии

Оптимальная концентрация — по всей обрабатываемой поверхности укладывается один слой зерен абразива.

При большей концентрации (в несколько слоев) — увеличивается доля работы, идущей на измельчение самих зерен.

Амплитуда и частота колебаний инструмента определяют скорость продольных колебаний инструмента, то есть главного движения резания


, м/с (4.1)

где f — частота колебаний (16…30кГц);

A — амплитуда колебаний инструмента, мкм.

Чем больше амплитуда и частота колебаний, тем выше производительность ().

Оптимальная амплитуда колебаний инструмента связана со средним размером абразивного зерна основной фракции.

При >1 происходит главным образом не внедрение зерен в обрабатываемую поверхность, а их дробление.

Если амплитуда колебаний мала, а зерна абразива крупнее <0,5, импульс ударной силы, воздействующий на зерно, недостаточен для внедрения зерен в обрабатываемый материал и его разрушения.

Максимальная производительность достигается при условии =0,6…0,8.

Предельно допустимая амплитуда колебаний ограничивается, кроме вышеизложенных соображений, усталостной прочностью материала инструмента и концентратора.

Статическая нагрузка. При УЗО инструмент прижимается к поверхности заготовки с постоянной силой . Эта сила (сила подачи) оказывает значительное влияние не только на значение ударных импульсов, но и на состояние зерен и концентрацию абразива под торцом инструмента.

Оптимальное значение зависит от площади и конфигурации инструмента, амплитуды, среднего размера зерен и свойств обрабатываемого материала.

Увеличение (в определенных пределах) приводит к увеличению импульса ударных сил и глубины внедрения зерен абразива, то есть к увеличению производительности.

С другой стороны, увеличение уменьшает расстояние между инструментом и обрабатываемой поверхностью заготовки и ухудшает условия поступления в рабочую зону свежего абразива и удаление из нее продуктов износа.


2.2 Точность размерной обработки


Точность УЗ размерной обработки, т.е. стабильность зазора между контурами изделия и инструмента, определяется многими факторами: геометрическая точность станка и его приспособлений, размер зерен абразива, твердость обрабатываемого материала, форма инструмента и размер поперечных колебаний.

Минимальная погрешность ограничивается предельными изменениями размера бокового зазора. Обычно этот размер в 1,5 раза больше среднего размера зерна абразива основной фракции.

В основном изнашивается торец инструмента. Продольный относительный износ (отношение длины изношенной части к глубине обработанной полости, в %) инструмента зависит главным образом от физико-механических свойств заготовки и материала инструмента, толщины стенок инструмента и зернистости абразива.

Поперечный износ происходит вследствие действия абразива, находящегося между боковой поверхностью инструмента и стенками обрабатываемого отверстия — на инструменте появляется конусность.

Особенно увеличивается поперечный износ при использовании кольцевого инструмента с толщиной стенки менее 1 мм. Оптимальная толщина стенки должна быть в пределах 1…1,5 мм.

Интенсивность износа увеличивается при плохих условиях подвода свежей абразивной суспензии и отвода продуктов обработки.

В то же время сила подачи и амплитуда не оказывают существенного влияния на его износ.

Чтобы уменьшить износ инструмента прежде всего необходимо подбирать материал, обладающий достаточной износостойкостью. Например, при обработке стекла инструмент должен быть из твердого сплава, а при обработке твердого сплава – из закаленной инструментальной стали.

Целесообразно выполнять инструменты с обратной конусностью или применять “грибковый’’ инструмент с калибрующей ленточкой высотой 1…3 мм. Причем диаметр калибрующей ленточки должен быть на 0,6…1 мм больше диаметра стержня инструмента.

За счет этого уменьшается сила трения…, улучшается циркуляция суспензии, хорошо удаляются продукты обработки.

Из — за поперечных колебаний инструмента происходит “разбивание” отверстия. Может исказиться и форма отверстия.

Обычно при строгой прямолинейности осей и соосности преобразователя, концентратора и инструмента, а также при точной выверке инструмента и заготовки некруглость отверстий, получаемых при чистовых операциях, не превышает 10 мкм (в неблагоприятных случаях – 30…60 мкм)

Разбивание отверстий возрастает с увеличением размеров абразивных зерен и глубины обработки.

Для уменьшения конусности сквозных отверстий их обрабатывают последовательно с двух сторон.

При сквозном прошивании, сверлении и разрезании используется инструмент, состоящий, из двух участков: чернового и чистового (диаметр чистового больше диаметра чернового участка).

При УЗ размерной обработке погрешность изготовления достигает 20 мкм.


2.3 Качество поверхности


Шероховатость поверхности при УЗО зависит от размеров зерен абразива, физико-механических свойств заготовки, амплитуды колебаний инструмента, шероховатости поверхности инструмента и типа жидкости, несущей абразив.

Наибольшее влияние на шероховатость оказывает зернистость абразива. Шероховатость пропорциональна зернистости.

Свойства обрабатываемого материала — структура (крупнозернистая) определяют шероховатость.

Чем выше амплитуда колебаний инструмента, тем более шероховатая поверхность получается при обработке.

Если в качестве жидкости, несущей абразив, применить вместо воды машинное масло, то шероховатость поверхности уменьшается, но производительность в несколько раз снижается, ухудшаются условия подвода и циркуляции абразива.

Шероховатость обрабатываемой поверхности зависит и от шероховатости рабочих поверхностей инструмента — неровности инструмента копируются на поверхности заготовки.

При чистовых операциях высота микронеровностей рабочих поверхностей инструмента должна быть в 2…3 раза меньше требуемой высоты микронеровностей детали.

Кроме шероховатости качество обработанной поверхности характеризуется ее структурным состоянием. При УЗО твердых сплавов и закаленных сталей происходит упрочнение поверхностного слоя и появляются сжимающие остаточные напряжения.

При УЗО мелкими шлифпорошками (№3) и микропорошками при амплитудах колебаний 15…20мкм шероховатость поверхности =1,2…0,4 мкм, а при доводке =0,2 мкм.

2.4 Производительность размерной УЗО


Производительность УЗ размерной обработки зависит в первую очередь от амплитуды колебаний инструмента, физико-механических свойств обрабатываемого материала, состава и свойств абразивной суспензии и способа ее подвода, силы подачи, площади поперечного сечения инструмента, глубины обработки.

Она характеризуется скоростью съема материала заготовки и при постоянном поперечном сечении инструмента однозначно определяется скоростью подачи.

Производительность можно рассчитать по эмпирической формуле


Qs=ψ2∙Рст)аfв, мм3/мин (4.2)

Где – коэффициент, зависящий от свойств обрабатываемого материала и абразивной суспензии;

А – амплитуда колебаний инструмента, мкм;

– сила подачи, H;

f – частота колебаний, Гц;

а и в – показатели степени, зависящие от условий обработки (а=0,5…1; в=0,5…1).

Чем выше твердость абразива и размер зерен, тем больше съем материала и производительность (учитывает коэффициент ).

Оптимальная сила подачи подбирается обычно экспериментально и составляет при размерной обработке =30…200 H.

Давление прижима инструмента составляет в среднем 0,1…1 МПа. Здесь S — площадь торца инструмента.

Производительность обработки зависит от глубины и площади обрабатываемого отверстия, что отражается в значениях показателей степени а и в.

Продольный и поперечный износ инструмента влияет на производительность (так как амплитуда колебаний уменьшается).

Амплитуда колебаний уменьшается и при увеличении площади инструмента. Если площадь больше, то хуже условия циркуляции абразива. Повысить производительность можно различными способами.

Улучшение условий циркуляции абразивной суспензии:


— периодически поднимать и опускать инструмент;

— подвод суспензии через полый концентратор;

— подвод суспензии фонтаном снизу;

— применение инструмента с кольцевыми и спиральными канавками на боковых поверхностях;

— применение инструмента с обратной конусностью;

— прокачка суспензии под давлением (0,1…0,5 МПа);

— отсасывание суспензии;

— вращение заготовки или инструмента во время обработки;

— создавая эксцентриситет осей вращения инструмента и заготовки.

Увеличение скорости главного движения (продольных колебаний инструмента) за счет применения материалов с высоким сопротивлением усталости.

Для увеличения сопротивления усталости проводят: дробеструйный наклеп, гидрополирование, ультразвуковую обработку.

В настоящее время широко применяется ультразвуковая обработка алмазным инструментом.


3. Контрольные вопросы


1. В чем заключается эффект магнитострикции?

2. Какие существуют типы УЗ волн?

3. Назовите основные схемы УЗО?

4. Каков механизм разрушения материала при УЗ размерной обработке свободным абразивом?

5. Для каких материалов целесообразно применение УЗ размерной обработки?

6. Как влияют УЗ колебания на упрочняющее-чистовую обработку?

7. Из каких элементов состоит УЗ колебательная система?

8. Чем ограничена максимальная амплитуда колебаний концентратора и рабочего инструмента при УЗО?


^ 5. ЭЛЕКТРОННОЛУЧЕВАЯ ОБРАБОТКА МАТЕРИАЛОВ


Введение. Изобретение электронной лампы положило начало широкому использованию в науке и технике потоков электронов. В конце XIX века был разработан первый электроннолучевой осциллограф, в котором электронный луч использовался для воспроизведения на экране параметров различных быстропротекающих процессов. В 1904 г. профессор Петербургского университета Б.Л. Розинг разработал конструкцию электроннолучевого кинескопа. После изобретения в 1905 г. А.С. Поповым радио бурными темпами начали развиваться радиотехника, электроника, а затем телевидение и радиолокация.

В физике сформировалось специальное направление — электронная оптика, которое изучает вопросы получения электронных пучков требуемой конфигурации и интенсивности.

Необходимость создания электронных приборов привела к возникновению новой отрасли промышленности — электронной техники и способствовала развитию вакуумной техники и технологии.

В настоящее время электроннолучевая технология сформировалась как самостоятельное, обладающее широкими технологическими возможностями направление в области обработки материалов.

Электронный луч как технологический инструмент позволяет осуществлять нагрев, плавку и испарение практически всех материалов, сварку и размерную обработку, нанесение покрытий и запись информации.

Однако электронный луч как источник энергии не везде получил широкое распространение из-за высокой стоимости оборудования, в необходимости высокой квалификации обслуживающего персонала, в сложности средств обеспечения безопасности, создание глубокого вакуума (порядка мм.рт.сm.) или Па. [1].

Формирование электронного луча для технологических целей можно представить состоящим из следующих основных стадий:

— получение свободных электронов;

— ускорение электронов электростатическим или магнитным полем и формирование электронного пучка;

— изменение поперечного сечения электронного пучка (чаще для его фокусирования на обрабатываемой поверхности);

— отклонение электронного луча и обеспечение требуемой траектории перемещения точки его встречи с обрабатываемой поверхностью.

Для получения электронного луча и управления им применяются устройства, называемые электронными пушками.




Рисунок 5.1 — Схема электроннолучевой установки


Источником электронов в установке является термоэмиссионный катод из вольфрама или тантала, обладающих высокими эмиссионными характеристиками. Его температура находится в пределах 1600…2800 °К. Из-за тяжелых температурных условий срок службы катодов не превышает нескольких десятков часов.

На некотором расстоянии от катода находится анод 2, выполненный в виде массивной детали с отверстием.

Между катодом и анодом от специального высоковольтного источника питания 8 прикладывается ускоряющее напряжение 30…150 кВ (за счет генератора и импульсного трансформатора). Электроны ускоряются этим напряжением до значительных скоростей, большая часть их проходит через отверстие 2, и в за анодном пространстве они движутся по инерции.

Для фокусирования луча из потока в электронной пушке обычно используется система диафрагм и магнитных линз. Магнитная линза 3 представляет собой соленоид с магнитопроводом, создающий специальной формы магнитное поле, которое при взаимодействии с движущимся электроном смещает его траекторию в направлении оси системы.

В фокусе электронный луч может обладать весьма высокой плотностью энергии, достигающей 5∙1012 Вт/м2.

В конструкцию электронной пушки обычно входит так же отклоняющая система 4, служащая для перемещения луча по обрабатываемой поверхности.

Электронная пушка обычно имеет две пары отклоняющих катушек, обеспечивающих перемещение луча по двум взаимно перпендикулярным направлениям.

Электронная пушка обычно выполняется в виде функционального блока, который крепится к рабочей камере 5.

Обрабатываемая заготовка 6 помещается в рабочую камеру 5, снабженную иллюминаторами для наблюдения за процессом обработки.

При малой площади обработки (менее 10х10 мм) обычно достаточно перемещения луча, а заготовка может оставаться неподвижной.


1. Физические основы электроннолучевой обработки


1.1 Получение свободных электронов


Свободный, не связанный с атомом электрон можно получить, если сообщить атому избыточную энергию, поглощая которую электрон переходит на более удаленные от ядра орбиты и может при этом потерять связь с ядром.

Это происходит при нагреве металлов, которые при этом начинают испускать термоэлектроны.

Этот процесс называется термоэлектронной эмиссией. Для этого необходимо получить плотность тока на катоде порядка (0,1…1,5)·10–4 А/м2 . При этом температура катода должна быть 2400…2700 °К. Чем больше температура, тем меньше срок его службы.

Для гексаборида 5 лантана LaВ6 Т=1600…2000 °К.

Помимо термоэмиссионных катодов применяют плазменные катоды, использующие электроны из плазмы газового разряда. Эти катоды не содержат накаливаемых элементов, более просты по конструкции и имеют значительно больший срок службы даже в самых тяжелых условиях эксплуатации.


1.2 Ускорение электронов


Для сообщения электронам необходимой энергии используют самый простой и наиболее распространенный способ – ускорение электронов электрическим полем.

На электрон в поле действует электростатическая сила

(5.1)

Где e – заряд электрона (e=1,602·10 –19 Кл(с·А);

Е – напряженность поля.

При движении в поле разность потенциалов под действием силы F электрон приобретает энергию:

(5.2)

Это приращение энергии электрона происходит за счет увеличения кинематической энергии (скорости) его движения:

(5.3)

где – масса электрона (=9,109·10 –31 кг);

V – конечная скорость электрона, км/с;

– начальная скорость электрона (=0).

Поэтому отсюда


км/с

То есть при ускоряющем напряжении 1В скорость электрона составляет 593,2 км/с.

В электронных пушках ускоряющее напряжение может достигать 2· В (200000 В).

Низковольтные системы (=15…30 кВ) наиболее просты по конструкции и в эксплуатации и применяются в основном для операций, связанных с плавлением и сваркой различных материалов.


1.3 Управление электронным лучом


Электронным лучом можно управлять с помощью электростатических или магнитных полей. На практике шире распространены магнитные системы фокусировки и управления перемещением луча.

На движущийся в магнитном поле электрон, согласно законам электродинамики, действует сила

F=B·V·ѕin, Н (5.4)

Где В – магнитная индукция, Тл=Вб/м2;

V – скорость движения электрона, км/с;

— угол между вектором скорости и магнитной силовой линией поля.

Под действием этой силы электрон будет двигаться в магнитном поле по окружности, перпендикулярной силовым линиям поля. Траектория движения электрона (под действием магнитного поля и инерционных сил) выглядит в виде спирали.

Создавая по оси электронного луча с помощью специальной магнитной системы-магнитной линзы — магнитное поле определенной формы, можно обеспечить сходимость траектории электронов в одной точке (фокусировку).

Для перемещения электронного луча по обрабатываемой поверхности обычно используют его взаимодействие со скрещенными поперечными магнитными полями, создаваемыми отклоняющей системой.

Благодаря малой массе электронов достаточно легко перемещать луч по обрабатываемой поверхности в широком диапазоне скоростей при любой форме траектории.


1.4. Вакуум как необходимый фактор электроннолучевой технологии

Электронный луч можно получить только в вакууме, так как за счет соударений с молекулами атмосферных газов электроны отдают им свою энергию и луч “рассеивается”.


1.5. Взаимодействие электронного луча с веществом


В результате встречи потока электронов с обрабатываемым веществом кинетическая энергия движущихся электронов превращается в другие виды энергии.

Мощность, или плотность потока энергии, электронного пучка в месте встречи его с обрабатываемым материалом равна:

P= Вт (5.5)

где – ускоряющее напряжение, В;

– сила тока луча, А;

– эффективный КПД нагрева.

Удельная поверхностная мощность луча в зоне его воздействия на вещество:

Ро=P/S, Вт/м2о=1012…1013) (5.6)

где S – площадь сечения луча на поверхности вещества.

При данном (max) значении Ро можно проводить размерную обработку материалов за счет их локального испарения.

При меньших значениях Ро (за счет расфокусировки луча) проводят плавку, сварку, нагрев в вакууме.

При ускоряющем напряжении =20 кВ и удельной поверхностной мощности Ро=В/м2 за время с в поверхностных слоях различных материалов развиваются следующие температуры (в скобках указаны Ткипения),°К.

Аℓ-(2593) 4423; Ti-(3773) 5313; нерж.сталь-(3323) 5373; Si-(2773) 6273; Ni-(3273) 7113; W- (5673) 15873.

Съем металла с обрабатываемой поверхности за счет его испарения и взрывного вскипания лежит в основе размерной электроннолучевой обработки.

Падающий на поверхность обрабатываемой заготовки электронный поток вызывает вторичную электронную эмиссию с обрабатываемой поверхности и термоэлектронную эмиссию из разогретой зоны обработки.

Теряемая мощность при этом составляет 1%.

Давление потока электронов (Па) на обрабатываемый материал определяется как отношение суммы импульсов к площади поверхности. Его находят по эмпирической формуле

, Па (5.7)

Где j – плотность тока в луче, А/м2 (1,3· А/м2);

– ускоряющее напряжение, В (=20 кВ).

Плотность тока в луче находится в пределах j=(0,1…1,5)·1 А/м2.


2. Основные технологические процессы электроннолучевой обработки


2.1 Особенности электронного луча


Главные достоинства электроннолучевой обработки с технологической точки зрения:

1) возможность за счет фокусировки луча плавно изменять в широких пределах удельную энергию в зоне нагрева;

2) большая мощность (от десятков ватт до мегаватт);

3) сравнительная простота управления пространственным положением луча с помощью магнитной системы и возможность модулирования луча по мощности;

4) наличие вакуума как рабочей среды;

5) возможность получения малоразмерной (прецизионной) зоны воздействия электронного луча на обрабатываемый материал.

Недостатки:

1) необходимость обеспечения высокого вакуума, что для ряда изделий трудно осуществимо;

2) сложность изготовления и эксплуатации электроннолучевого оборудования, дороговизна, должна быть защита от рентгеновского излучения.

Все основные технологические операции электроннолучевой обработки можно условно разбить на три группы:

— плавление (локальный переплав, плавка в вакууме, сварка);

— испарение (испарение в вакууме, размерная электроннолучевая обработка);

— термообработка без изменения агрегатного состояния вещества.




2.2 Локальный переплав


Он дает возможность получать чрезвычайно высокие скорости кристаллизации металла в зоне плавления.

Получаются другие структуры: расширяются границы растворимости для твердых растворов, измельчается микроструктура, значительно повышаются пластичность и твердость.

Быстрое остывание расплавленного металла приводит к последующей дополнительной закалке и за время с температурного цикла нагрев-охлаждение у закаливающихся сталей образуется структура мелкозернистого мартенсита с весьма высокой твердостью.

Включение этих зон в более пластичный основной металл повышает износостойкость поверхности.

Иногда такое поверхностное оплавление материала называют “облагораживающим” — исходный материал используют недорогой.


2.3 Электроннолучевая плавка


Она применяется в тех случаях, когда необходимо выплавлять особо чистые металлы, в том числе химически активные.

Электроннолучевая плавка позволяет получать более высокий перегрев жидкого металла в ванне и наиболее полно производить дегазацию металла, отгонку летучих примесей, удаление неметаллических включений (рафинирование).

Сплавы на основе Ti, W, Mo, Ni — выплавляют в вакууме.

Начиная с 60-х годов XX столетия все тугоплавкие и химически активные металлы выплавляются в электроннолучевых печах при давлении Па получают слитки массой до 20 m.

Для выплавки стали имеются печи мощностью 1200 кВт, в которых получают слитки массой по 12 m. Они идут на изготовление валов и лопаток турбин, камер сгорания, высокоскоростных шарикоподшипников.

Переплавляемый металл может быть в любом виде: шихта, пруток, лом, спеченные штабики, губка.


2.4 Электроннолучевая сварка


Отличительной особенностью данной сварки является получение швов с глубоким проплавлением. Его называют “кинжальным”. Такое проплавление дает возможность за один проход сваривать без разделки кромок заготовки толщиной до 100 мм.

Глубокое проплавление позволяет получать сварные соединения принципиально новой формы, которые нельзя получить другими способами, а именно: стыковое при большой толщине и тавровое.

Малый объем ванны расплавленного металла, получаемый при электроннолучевой сварке, резко снижает деформации сварных изделий.

Открывается возможность сваривать конструкции из уже окончательно обработанных деталей.

Возможна также сварка термообработанных изделий. Зона разупрочнения очень мала, что не сказывается на работоспособности изделия в целом.

Пример изготовления шевронного колеса. Сначала изготовляют два отдельных косозубых блока с помощью пальцевой фрезы, а затем их сваривают. Их устанавливают в весьма ответственных конструкциях авиационных двигателей.

Изготовление толстостенных конструкций — проплавление глубиной до 200…300 мм (атомные реакторы, бойлеры электростанций).

Микросварка для соединения микросхем. Сваривают различные выводы и контактные элементы толщиной менее 0,3мм и проводники диаметром 10…300 мкм.

Производство заготовок для ленточных пил. Ножовочное полотно из инструментальной стали высотой до 3мм приваривается к вязкой конструкционной стали – основанию.

Сварка электронным лучом рассматривается как один из основных процессов для монтажа и ремонта в космосе различных конструкций и агрегатов. На высоте 200 км давление находится в пределах Па

В 1969 году на “Союзе — 6” впервые были проведены эксперименты на установке “Вулкан”.


2.5 Электроннолучевое испарение материала


Испарение материала из охлаждаемого тигля дает возможность получать тонкие пленки покрытия высокой чистоты, так как при этом почти полностью исключается реакция испаряемого материала с материалом тигля.

Можно осуществлять испарение разных веществ и из одного тигля, если в него подают материалы из нескольких бункеров.

Такими способами получают, например, тройной псевдосплав из 90% титана, 6% алюминия и 4% ванадия.




Рисунок 5.2 — Схема испарения материалов

Данная технология применяется в микроэлектронике, оптической промышленности.


2.6 Размерная обработка электронным лучом


Чтобы получить точные размеры без оплавления краев необходимо:

— обеспечить строгое дозирование энергии электронного луча путем импульсного действия луча на поверхность, либо организуя перемещение луча по поверхности со строго заданной скоростью.

Таким образом можно определить три режима размерной обработки:

1). Моноимпульсный, когда отверстие получают за время одного импульса.

2). Многоимпульсный.

3). Многоимпульсный с перемещением электронного луча по заготовке с определенной скоростью.

Параметры электроннолучевой размерной обработки связаны с физическими характеристиками материала заготовки (температурой плавления, теплоемкостью, удельной теплотой испарения, упругостью пара) и не зависят от его механических свойств (прочности, твердости, пластичности).

Электронный луч нашел применение в первую очередь для размерной обработки твердых материалов-алмазов, кварца, керамики, кристаллов кремния и германия.

Образование полостей электронным лучом ведут в многоимпульсном режиме (с) на глубину не более 15…20 мм. Лучшие образцы установок позволяют при глубине резания до 5 мм получать уклон стенок ≤1°.

Минимальная ширина реза может достигать 5…10 мкм.

Особой разновидностью размерной обработки является перфорация (получение мелких сквозных отверстий) различных материалов – металлические и керамические элементы фильтров, искусственную кожу — для воздушной проницаемости. При этом производительность составляет отверстий в секунду.

Погрешность размеров всего ±5 мкм. Шероховатость поверхности =5 мкм.

При производстве искусственных волокон широко применяются фильеры из различных твердых сплавов, керамики, стекла. Выпускают фильеры диаметром до 30…50 мм при толщине 1…3 мм; они могут содержать до 500 отверстий. Поперечное сечение отверстий может быть разнообразным размером 20 мкм.


2.7 Термообработка

Закалка применяется для упрочнения лезвий инструмента из быстрорежущей стали (ресурс работы увеличивается в 2 раза).

Термообработка листового материала или фольги обычно проводится в специальных установках для получения материалов с покрытиями; их наносят в вакууме на обезжиренный и предварительно нагретый до 200…400 °С металл.

Для равномерного нагрева материала обычно используют сканирование — (управляемое пространственное перемещение светового луча, пучка электронов) луча по обрабатываемой поверхности с помощью магнитной отклоняющей системы.

3. Контрольные вопросы


1. Какие основные этапы формирования электронного луча?

2. Требования к катодам электронных пушек.

3. Принцип ускорения электронов в… пушках.

4. Каким образом можно управлять положением электронного луча в пространстве?

5. Какова роль вакуума в электроннолучевой технологии и какова должна быть его величина?

6. В чем особенности взаимодействия луча с веществом?

7. Для каких целей используется электроннолучевой нагрев поверхности?

8. В каких областях применяют электроннолучевую плавку?

9. В чем основные особенности электроннолучевой сварки?

10. Где наиболее целесообразно применение электроннолучевого испарения?

11. Преимущества и недостатки размерной электроннолучевой обработки.


^ 6. СВЕТОЛУЧЕВАЯ ОБРАБОТКА МАТЕРИАЛОВ


Введение. Свет как источник энергии издавна привлекал к себе внимание человека. По мере развития науки и техники различные физические явления, связанные со световым излучением, находят все более широкое применение в научных и промышленных целях.

Создание волновой теории света и усовершенствование технологии изготовления оптических линз, стекол и зеркал позволили создать целый ряд разнообразных оптических приборов. Была установлена принципиальная возможность фокусирования светового потока на относительно небольших поверхностях и получение высоких удельных плотностей энергии, достаточных для нагрева и плавления различных материалов. В качестве источника светового излучения использовалось Солнце. Солнечная энергия, попадающая на земную поверхность (около 40 Вm/м2), стимулирует развитие различных способов ее преобразования в другие виды энергии (прежде всего в тепловую и электрическую).

Дальнейшее изучение физической природы светового излучения привело к открытию его квантового характера (фотон оптического излучения), что позволило осуществить новый подход к получению световой энергии. В начале XX века у физиков сложилось мнение, что обычный полихроматический (многоцветный) свет (семь волн различной длины) может быть получен излучением различных тел или из электрического газового разряда.

В 1917 г. А.Эйнштейн высказал предложение, что световые волны строго определенной длины можно получить за счет индуцированного (вынужденного) излучения атомов и молекул вещества. [1].

Это было новое направление науки и техники — квантовая электроника. Она изучает различные эффекты, связанные с получением и применением электромагнитных колебаний оптического диапазона. Особую ценность представляет получение когерентного (монохроматического) света, то есть световой волны строго определенной длины.

В 1940 г. советский ученый В.А. Фабрикант впервые экспериментально подтвердил выдвинутое А. Эйнштейном положение об вынужденном излучении, а в 1952 г. был предложен (Н.Г. Басовым и А.М. Прохоровым) новый принцип генерации и усиления сверхвысокочастотных электромагнитных колебаний на основе использования вынужденного излучения.

Были созданы квантовые генераторы и усилители волн сантиметрового и дециметрового диапазонов, известные сейчас под названием мазеров.

В 1961 г. был разработан первый образец оптического квантового генератора (ОКГ), в котором в качестве рабочего тела был синтетический рубин.

Термин Лазер получился по первым буквам английского выражения: Light Amplification by Stimulated Emisson of Radiation (усиление света с помощью индуцированного излучения).

В 1961 г. был создан газовый лазер (рабочее тело — гелий+неон). Это наиболее мощные лазеры. С их помощью можно получить непрерывное излучение мощностью до сотен кВm. Затем появились полупроводниковые лазеры.

Рабочий диапазон излучения ОКГ охватывает область от ультрафиолетового с длиной волны 0,3 мкм до инфракрасного с длиной волны 300 мкм.

Лазеры нашли широкое применение (для передачи информации и связи, для измерения расстояний с большой точностью).

Особое место занимает лазерная технология – использование ОГК для нагрева, плавления, испарения, сварки и резки материалов.

По плотности потока энергии (до Вm/м2) лазер пока не имеет себе равных.


1.Физические основы получения и применения светолучевых источников энергии


1.1 Полихроматический свет и его использование для технологических целей

Обычное световое излучение – полихроматический свет – состоит из различных частот, лежащих в диапазоне видимой части спектра.

По длинам волн λ (мкм) диапазон светового излучения условно делится на несколько областей:


ИК 750…0,76 мкм

Красная 0,76…0,62 мкм

Оранжевая 0,62…0,59 мкм

Желтая 0,59…0,56 мкм

Зеленая 0,56…0,50 мкм

Голубая 0,50…0,48 мкм

Синяя 0,48…0,45 мкм

Фиолетовая 0,45…0,40 мкм

УФ 0,40…0,005 мкм.

Полихроматическое излучение возникает в результате нагрева тел. Это излучение происходит в виде отдельных порций — квантов или фотонов.

Энергия фотона: ε =h·f , Дж (6.1)

Где h=6,625—постоянная Макса Планка (1858…1947 г.г.) — немецкого физика, в 1918 г. получившего Нобелевскую премию;

f — частота излучения, Гц.

В обычных условиях атомы вещества излучают одновременно кванты различной энергии, так как переход электронов с одних орбит (с дальних на ближние) на другие не носит организованного характера.

Для применения энергии света для тех или иных технологических процессов требуется фокусировка луча; полихроматичность играет в данном случае отрицательную роль.

Так как волны разной длины имеют различный коэффициент преломления, то полихроматичный свет (проходя через линзу) фокусируется в виде пятна довольно значительных размеров.

Это явление носит название хроматической аберрации (отклонение от норм, искажение …).

Диаметр светового пятна достигает сотен и тысяч мкм. В результате максимальная плотность энергии в пятне нагрева не превышает Вm/м2, что соизмеримо с нагревом от пламени газовой горелки и в 104…105 раз меньше, чем для монохроматического луча лазера.

Система линз ø75…120 мм не дает возможность получить в фокусе пятно диаметром менее 1…2 мм, а сферическое зеркало диаметром 1 м фокусирует солнечные лучи в пятно диаметром 20…60 мм.

В промышленности световую энергию используют от источников света в виде ламп накаливания или дуговых газоразрядных ламп. Их мощность до нескольких десятков кВm (в кварцевых корпусах).

Кварцевые лампы нагревают поверхности до температуры 600…1200 °К; газоразрядные (с системами фокусировки) — до 1800…2000 °К, что вполне достаточно для плавления ряда материалов.


    1. Когерентное излучение


Если частота f и длина волны λ постоянны и не зависят от времени τ, то волна монохроматична.

Если амплитуда, частота, фаза, направление распространения и поляризация электромагнитной волны постоянны во времени или изменяются по определенному закону, то такая волна когерентна.

Монохроматичная волна всегда когерентна, а когерентность двух немонохроматических волн означает, что они обладают одинаковым набором частот f и разность их фаз постоянна во времени.

Чем короче длина волны, тем меньше расходимость параллельных пучков энергии этих волн. Это используется (для) при локации и определении расстояний до предметов.

Для монохроматического излучения теоретически достижимый диаметр сфокусированного луча составляет 0,4…1 мкм (но из-за отсутствия идеальной монохроматичности и когерентности луча этот диаметр несколько больше).

Получить когерентное световое излучение удалось средствами квантовой электроники.


    1. Основная схема ОКГ


Любой ОКГ независимо от конструктивного выполнения содержит следующие основные элементы;

1). рабочее тело (вещество), состоящее из ансамбля атомов и молекул, для которых может быть создана инверсия населенности (неравновесное состояние вещества);

2). систему, позволяющую осуществлять инверсию;

3). оптический резонатор (струна, стержень), который служит для осуществления взаимодействия излучения с рабочим веществом и в котором происходит отбор энергии от ансамбля генерирующих излучение частиц;

4). устройство для вывода энергии из резонатора;

5). систему управления концентрацией энергии и пространственным положением полученного пучка света;

6). различные специальные системы, связанные с конкретным применением ОКГ.

Для инверсии населенности в ОКГ применяют следующие виды накачки:

— оптическую накачку за счет облучения вещества мощным световым потоком;

— электрическую накачку (прохождение через вещество электрического тока);

— химическую накачку, когда инверсия возникает за счет химической реакции, в которой принимает участие рабочее вещество.

В зависимости от режима ОКГ делятся на устройства, работающие в непрерывном и импульсно — периодическом режимах.




Рисунок 6.1 — Схема твердотелого ОКГ

1 – зеркало с плотным непрозрачным слоем серебра; 2 – рубиновый стержень; 3 – зеркало посеребренное (коэффициент пропускания света ~ 8%); 4 — газоразрядная лампа — вспышка; 5 – отражающий кожух с поперечным сечением в форме эллипса; 6 – высоковольтная батарея конденсаторов; 7 – источник питания; 8 — система оптических линз; 9 – заготовка.


Работа ОКГ основана на принципе стимулированного генерирования светового излучения.

Атом вещества, имея определенный запас энергии, находится в устойчивом энергетическом состоянии и располагается на определенном энергетическом уровне. Для выведения атома из устойчивого (стабильного) энергетического состояния его необходимо возбудить.

Возбуждение (“накачку”) активного вещества осуществляют световой импульсной лампой. Частота повторения импульса света лампы-вспышки зависит от времени зарядки батареи конденсаторов, а также от условий охлаждения стержня (рубинового) – резонатора.

Импульс света длится до с с интервалами между ними 3· с.

Возбужденный атом, получив дополнительный фотон от системы накачки, излучает сразу два фотона, в результате чего происходит своеобразная цепная реакция генерации лазерного излучения.

В твердом ОКГ рабочим элементом-веществом является рубиновый стержень, состоящий из окиси алюминия (Aℓ2О3), активированного 0,05% Cr (хрома).

Для рубина поглощаемая кристаллом мощность накачки составляет ~2 кВm на 1см3 объема кристалла. Коэффициент использования световой энергии лампы-вспышки составляет 10…15%, поэтому ее мощность должна составлять десятки, а то и сотни кВm.

40…70% энергии, поглощенной стержнем идет на его нагрев. Чтобы генерация когерентного излучения не прекратилась, стержень нужно охлаждать (воздухом, водой или жидким азотом).

Начавшееся в рабочем теле (стержне) ОКГ излучение распространяется по всему объему стержня — резонатора и из-за многократного отражения от зеркал вовлекает в процесс генерации когерентного излучения все оптически активные атомы в направлении оси стержня.

Часть когерентного излучения выходит через полупрозрачное зеркало 3 из резонатора.

Спустя 0,5 микросекунды более половины атомов хрома приходит в возбужденное состояние, система становится неустойчивой и вся запасенная в стержне рубина энергия одновременно высвобождается и кристалл испускает ослепительный яркий красный свет – красная флюоресценция рубина-фотоны с длиной волны λ =0,6943 мкм.

Суммарная мощность рубинового ОКГ при энергии импульса лампы от 20 до 100 Дж и частоте их повторения до нескольких десятков герц может достигать десятков кВт (длина стержня при этом составляет 200…250 мм, диаметр 15 мм).

Эта энергия выделяется в миллионные доли секунды и сосредотачивается в луче диаметром 10 мкм за счет системы оптических линз. Что обеспечивает температуру в пределах 6000…8000 °С.

В результате этого поверхностный слой материала заготовки 9, находящийся в фокусе луча, мгновенно нагревается и испаряется.


2. Технология светолучевой обработки материалов


2.1 Технологические особенности излучения ОКГ


Использование мощных ОГК дает целый ряд технологических преимуществ, что и определяет их широкое применение.

  1. Энергию в виде светового луча можно передавать на расстояние (по специальному световоду или через прозрачную разделительную перегородку).

  2. Отсутствует механический и электрический контакт между источником энергии с изделием в месте обработки.

  3. Высокая концентрация энергии в пятне нагрева прострой” фокусировке.

  4. Можно плавно регулировать плотность лучистого потока в пятне нагрева за счет изменения фокусировки луча.

  5. Высокие температуры в зоне воздействия излучения.

  6. Можно получить импульсы весьма малой длительности (до с.), так и непрерывное излучение.

  7. Малые размеры зон обработки (до нескольких мкм.).

  8. Можно перемещать луч с высокой точностью и скоростью.

  9. Мощность луча можно модулировать по требуемому закону.

  10. Технологический процесс можно вести в любой оптически прозрачной среде.


3. Контрольные вопросы


1. Кто является основоположником разработки ОКГ-лазера и когда?

2. В чем состоят основные достоинства и недостатки полихроматического света как источника энергии для технологических целей?

3. Какие основные физические принципы положены в основу работы ОКГ?

4. Как получают когерентное излучение с помощью ОКГ?

5. Какие вещества используются в лазерах для генерации излучения?

6. Как осуществляется накачка (возбуждение) энергией в твердотелых ОКГ?

7. Как производится вывод излучения из ОКГ?

8. С помощью чего осуществляется фокусирование излучения лазера?

9. Каковы основные особенности взаимодействия светового излучения с веществом?

10. Где наиболее целесообразно технологическое применение лазерного излучения?

11. Назовите основные достоинства и недостатки обработки материалов с помощью ОКГ?


1   2   3   4   5   6   7



Скачать файл (4770.3 kb.)

Поиск по сайту:  

© gendocs.ru
При копировании укажите ссылку.
обратиться к администрации