Развитие машиностроения

Оборудование для электроэрозионной обработки. Основными элементами электроэрозионных станков являются станина 1 коробчатой или иной формы со стойкой (рис 44), стол 2, ванна инструмент 4, связанный с инструментальной головкой 5, устройсяства 6-9 перемещения инструментальной головки в трех взаимно перпендикулярных направлениях, пули управления 10, трубопроводы подачи рабочей жидкости в ванну ,13 и на слив 12, насос 13.

На некоторых станках стол ванну можно перемещать в относительных вертикальных направлениях. Точные станки снабжены оптической системой отсчета координат, выполняют с цифровой индикацией, с программным управлением, с управлением от ЭВМ.

Рис. 44. Устройство станка для электроэрозионной обработки

В крупных станках шкафы с аппаратурой устанавливают отдельно. Станки снабжены фильтрами рабочей жидкости, холодильниками для охлаждения и т. д. В качестве основных размеров универсальных электроэрозионных станков приняты размеры стола и наибольшее расстояние от торца шпинделя инструментально головки до поверхности стола. Длина столов установлена по геометрическому ряду с показателем ф=1,8 (ГОСТ 15954-70), ширина - по геометрическому ряду с показателем ф= 2, а ряд расстояний от торца шпинделя до поверхности стола - с ф=1,6

Рис. 45. Электроэрозионный станок мод. ОФ-81

На рис. 45 показан общий вид специального электроэрозионного станка мод ОФ-81. станок предназначен для обработки заготовок сложной формы, изготовленных из труднообрабатываемых токопроводящих материалов, а также для проведения разнообразных фрезерных работ. С наибольшим эффектом станок может быть использован в инструментальных цехах для изготовления разноместных штампов, кондукторов, приспособлений, кокилей; в экспериментальных, ремонтных цехах, а также в основном производстве. Станок оснащен прецизионным вращающимся шпинделем, позволяющим осуществлять электроэрозионную обработку отверстий с высокой точностью; плавное регулирование межэлектродного зазора с помощью автоматического регулятора и подачи винт-гайка качения; эффективной системой подачи, очистки и охлаждения жидкости. Станок оснащен головкой ориентации электрода, микроскопом ЦО-2, тисками, электродной головкой, виброголовкой, орбитальной головкой, сверлильным патроном, центроискателем и др. На рис. 46 показан общий вид электроэрозионного копировально-прошивочного станка мод.4Д721. Наиболее эффективно использование станка в инструментальном производстве, точном приборостроении, радиоэлектронной промышленности.

Выбор материала электрода-инструмента для электроискровой и электроимпульсной обработки определяется материалом заготовки, режимом обработки и стойкостью инструмента или его относительным износом у = -^- 100. Износ электродов-инструментов зависит от материалов электродов, параметров импульсов тока и напряжения, свойств рабочей жидкости, жесткости оборудования и т. д.

Рис. 46. Электроэрозионный копировально-прошивочный станок мод. 4Д721

Материалы для электродов-инструментов, нашедшие наибольшее применение, можно расположить в ряд по убыванию стойкости: графитированные материалы (ЭЭГ, ЭЭПГ) и пористая медь (МПГ-7, МП-75, МП-8П), вольфрам, медь, латунь ЛС59, серый чугун, алюминий и его сплавы. При оптимальных условиях обработки сталей износ электрода-инструмента из углеграфита составляет 0,1-0,3% на черновых режимах и 0,5-1,2% на чистовых. Износ медных электродов 0,6-1% и 1,5-4% соответственно. При нерациональных режимах обработки и неправильно выбранном материале электрода-инструмента износ может достигать 100% и более. Большое влияние на стойкость инструмента оказывает форма рабочих импульсов.

Наилучшими показателями стабильности процесса обладают электроды-инструменты с рабочей частью из компактной меди. Однако высокая стоимость этого материала, его дефицитность и сравнительно высокий износ ограничивает его применение. Электроды из меди применяют при обработке твердосплавных заготовок, прошивании щелевидных отверстий и отверстий сравнительно малого диаметра, при чистовой обработке на повышенных частотах. Электроды-инструменты из алюминия применяют при предварительной обработке полостей и отверстий без резко выделяющихся в стальных деталях и деталях из жаропрочных сплавов, викой стойкостью отличается вольфрам, однако дефицитность нудность обработки ограничивают его применение для изготовления инструментов.

Методы изготовления фасонных инструментов. Для изготовления фасонных электродов-инструментов применяют следующие методы: металлизация напылением; метод гальванопластики; изготовление методами порошковой металлургии; метод вихревого копирования.

При металлизации напылением исходный материал (порошок или пруток) подается в зону нагрева, расплавляется и струей сжатого газа переносится на подложку (модель инструмента). Затем нанесенный слой от модели отделяют, если его используют самостоятельно, или используют вместе с моделью. Модель по размерам и форме представляет копию того изделия, которое предполагается изготовлять электроэрозионным методом, с учетом припуска межэлектродного зазора. Модель изготовляют из графита МПТ6, ЭЭПГ, АРВу, ГТМ, МПГ7, 9 также из литейных типографских сплавов по гипсовым моделям. Модели изготовляют также стальными. Стальные модели перед металлизацией подвергают дробеструйной обработке.

Для улучшения электроэрозионных свойств напыленный слой подвергают восстановительному отжигу (нагрев до 600° С, изотермическая выдержка в течение 1 ч, .подъем температуры до 800-850° С, выдержка в течение 1 ч, охлаждение в водороде или инертном газе). Этим методом получают напыленный слой до 5 мм шероховатости поверхности до Rz = 40 мкм. Инструмент - газовый металлизатор.

Метод гальванопластики основан на электролитическом осаждении металлов на модель. Толщина осажденного слоя металла 1-5 мм.

Этот метод позволяет получить высокую точность и малую шероховатость поверхности, не хуже:

Ra = 2,5мкм

Модели могут быть разового употребления (разрушаемые), например, из гипса или восковых сплавов, или постоянные, изготовляемые из эпоксидных смол, типографских сплавов, хромоникелевых сталей и графита. По конструкции модель должна иметь технологические (нерабочие) поля 30-50 мм. Базовые элементы (штифты, отверстия и др.) выносят на технологические поля.

Изготовление инструментов методом порошковой металлургии рентабельно лишь в крупносерийном или массовом производстве, так как требует изготовления дорогостоящих и сложных пресс-форм из закаленных сталей и твердых сплавов. Технология изготовления электродов-инструментов методом порошковой металлургии предусматривает холодное или горячее прессование порошка в пресс-форме и спекание.

Технология изготовления фасонных углеграфитовых электродом инструментов методом вихревого копирования разработана в СССР. Сущность этого способа состоит в том, что при наличии поступательного перемещения углеграфитовой заготовки фасонному инструменту сообщают возвратно-поступательное колебательное движение, при котором все точки на поверхности инструмента перемещаются по круговым траекториям (совершают вихревое движение). Режущий инструмент для вихрекопировальных станков изготовляют литьем режущей композиции в закрытых формах собираемых из унифицированных деталей. Опыт изготовления электродов-инструментов систематизирован в книге (6).

Размеры электродов-инструментов определяют измерительными приборами. Для измерения толщины нанесенного слоя применяли специальное приспособление, содержащее щуп и рейку с делений ми. Для измерения зазоров в межэлектродном промежутке применяют щупы и индикаторы, а также оптические методы. Эффективным методом измерения зазоров является фотографирование с последующим увеличением. В этом случае необходимо изготовление многослойной модели заготовки, позволяющее проконтролировать величину фактического межэлектродного промежутка на различных уровнях. Зафиксировав инструмент и модель заготовки после обработки и убрав их со станка, снимая пластины заготовки, начиная с нижней, определяют величину межэлектродного зазора.

Для закрепления электрода-инструмента электроэрозионные станки снабжены электродержателями в виде шпинделей с посадочными отверстиями, патронов, цанговых зажимов и др. уточнения положения инструмента относительно заготовки применяют приспособления, позволяющие регулировать его положение как по двум взаимно перпендикулярным осям, параллельным плоскости стола, так и относительно вертикали. Для выполнения прецизионных работ электрод-инструмент устанавливают в приспобление (кондуктор) с направляющими.

Для ускорения выведения продуктов износа заготовки и инструмента из межэлектродного зазора применяют электромагнитный вибратор, сообщающий возвратно-поступательные колебания и инструменту с амплитудой, соответствующей увеличению зазора в 2-3 раза. Частоту колебаний принимают равной 50 или 100 Гц. Для вращения инструмента при обработке отверстий применяют электродовращатель. При нежестких электродах используют направляющие кондукторы. Для сообщения электроду-инструменту плоскопараллельного кругового движения применяют орбитальные головки, приводящие в круговое движение инструмент без вращения вокруг своей оси.

Характеристика оборудования для выполнения электроэрозионной обработки непрофилированным электродом-проволокой, приведена в табл. 20.

Основные требования к электроду-проволоке: 1) малое электрическое сопротивление; 2) высокая прочность на разрыв; 3) невысокая стоимость и недефицитность.

В производстве применяется медная, латунная и вольфрамовая проволока. Медная проволока отвечает первому и третьему требованиям, но ее низкая прочность на разрыв не позволяет работать в интервале оптимальной производительности по натяжению при наименьшей скорости перемотки. Вольфрамовая проволока имеет высокую прочность на разрыв, но дефицитна и обладает большим удельным сопротивлением, что снижает производительность. Ее и применяют при прорезке узких пазов (менее 0,1 мм). Латунная проволока по сравнению с медной имеет большее удельное сопротивление, что компенсируется ее хорошими эксплуатационными качествами (второе и третье требование).

Под действием электрических импульсов проволока-катод в процессе обработки изнашивается. Величина износа зависит от режима обработки, толщины заготовки и скорости перемотки. Скорость перемотки находится в пределах от нескольких миллиметров в секунду до нескольких десятков миллиметров в секунду. Электрод-проволока имеет одноразовое использование, так как после прохождения через зону обработки он становится непригодным для повторного использования (независимо от степени износа). Влияние эрозии особенно резко проявляется при применении проволоки малого диаметра, так как при этом величина эрозии от единичного разряда соизмерима с диаметром проволоки.

Оборудование, применяемое при электроконтактном методе обработки, приведено в табл. 21. Электроконтактное точение выполняют широкими металлическими дисками (толщиной 40-50 мм ), фрезерование - чашечным инструментом, сверление - трубчатым инструментом. Разрезка осуществляется металлическими дисками и дисками, покрытыми абразивно-изоляционным материалом. Для обтачивания крупногабаритных деталей, растачивания отверстий и подрезки торцов целесообразно использовать чашечные электроды-инструменты из серого чугуна диаметром 150-300 мм и высотой 60-90 мм, а для отрезки - дисковые электроды из стали диаметром 250-500 мм и толщиной 2-4 мм.

Характеристики установок для электроискрового упрочнения приведены в табл. 22. Стоимость установок находится в пределах 2-2,5 тыс. руб.

В качестве электродов для электроискрового упрочнения на заводах применяют феррохром с содержанием Сг 3%, графит ЭГ2 и ЭГ4 с зольностью до 2 %; твердые сплавы Т15К6 и Т30К4; специальные сплавы или материалы, получаемые порошковой металлургией.

Накладка электроэрозионных станков и их неисправности. Подготовка электроэрозионных станков к работе заключается в установке заготовки и электрода-инструмента и выверки их взаимного расположения, подготовке ванны к работе и системы прокачки рабочей жидкости, выбору и настройке электрических режимов генератора.

Заготовку устанавливают и закрепляют непосредственно на столе станка или в приспособлении. Электрод-инструмент хвостовиком устанавливают в шпиндель головки.

Для выверки положения электроды-инструменты снабжают контрольными углами или разметкой. При выверке используют индикаторы, оптические приборы, приспособления, позволяющие изменять положение инструмента по отношению к заготовке и угол наклона.

Осуществив выверку положения электрода-инструмента, заполняют ванну рабочей жидкостью (или погружают стол с заготовкой в ванну), проверяют работоспособность системы прокачки. В соответствии с технологической инструкцией устанавливают необходимое давление прокачки. По технологической инструкции станка в соответствии с выбранным режимом работы задают электрический режим генератора импульсов, пользуясь соответствующими таблицами и номограммами, приведенными в инструкции (полярность форму импульсов, скважность, частоту следования импульсов, средний рабочий ток и др.).

Изменение полярности напряжения генератора импульсов в зависимости от требований процесса производится путем переключения на штепсельном разъеме токоподводов к станку. При работе с прямой полярностью на электрод подается отрицательный потенциал, а на обрабатываемую заготовку положительный потенциал Для работы с обратной полярностью производят обратное переключение. Изменение полярности обычно не требует дополнительной изоляции обрабатываемой заготовки от станка.

Установку электрических параметров и режимов работы генератора импульсов осуществляют с помощью переключателей, расположенных на панелях пульта управления. Настраивают регулятор подачи, устанавливая рекомендуемое напряжение регулятора, устанавливают скорость подвода инструмента. Средние значения напряжения при холостом ходе и в работе и средний рабочий ток фиксируют по приборам. Средний рабочий ток зависит как от настройки генератора, так и установки регулятора подачи. Настройку регулятора осуществляют рукоятками «Подача» и «Скорость подвода» и контролируют по приборам, показывающим средние значения токов и напряжений.

Неисправности электроэрозионных станков. Неисправности в кинематике станка сводятся к обычным неисправностям его механизмов, вызванным поломками или износом (например, механизмов установочных перемещений), появлением люфтов, заеданием в подвижных парах и т. п. На прецизионных станках, оснащенные индуктивными системами отсчета перемещений, возможно появление рассогласования индуктивных датчиков мостовых схем. Отказ головки с механическим приводом может быть вызван низким качеством изготовления деталей и сборки, в том числе редуктора, шариковых винтовых пар, направляющих качения и гильз. Снижение чувствительности может быть обусловлено излишним натягом в винтовой паре. О качестве кинематики головки можно судить по току, потребляемому ее электродвигателем. При напряжении 5 В потребляемый ток не должен превышать 50-60 мА при движении шпинделя вниз и 70-90 мА при движении шпинделя вверх.

Нестабильность работы головки соленоидного типа может быть обусловлена заеданием элементов магнитной системы. Отказы головки с гидравлическим приводом обычно вызываются загрязнением масла гидросистемы, появлением утечек и перетечек масла вследствие износа элементов аппаратуры управления, выходом из строя гидроклапанов. На стабильность работы этих головок существенно влияет изменение температуры масла, колебание рабочего давления в гидросистеме. При работе таких головок с генераторами типа ШГИ отмечено, что в диапазоне высоких частот технологического напряжения возникает дрейф нуля следящей системы, что требует ее загрубления.

При появлении течи рабочей жидкости необходимо немедленно вменить прокладки ванны. Отсутствие подачи рабочей жидкости и наполнения ванны может быть обусловлено разрывом цепи

электродвигателя насоса блокировками станка или тепловым реле, горением фильтров грубой и тонкой очистки.

ГЛАВА ВТОРАЯ. ЛУЧЕВАЯ ОБРАБОТКА МАТЕРИАЛОВ

1. СВЕТОЛУЧЕВАЯ ОБРАБОТКА

Светолучевую обработку материалов производят с помощью 1тических квантовых генераторов, называемых лазерами. Лазер способен создавать узкие направленные пучки видимого света, характеризующиеся чрезвычайно высокой плотностью тепловой энергии. Благодаря этому с помощью лазера можно выполнять ряд различных технологических операций, обработку сверхтвердых тугоплавких материалов (резание, сверление, сварка, плавление). Существуют три вида лазеров: твердотельные (кристаллические), жидкостные и газовые.

Активные тела твердотельных лазеров являются сложными микросистемами, состоящими из ядер и электронов. Энергия относительного движения частиц твердых тел может принимать строго определенные значения, называемые уровнями энергии. Уровень с минимальной энергией является основным, остальные уровни-возбужденные. Если атому, находящемуся на основном уровне, сообщить дополнительную энергию (энергию «накачки»), То он может скачкообразно совершить переход с одного уровня энергии на другой - перейти на один из уровней возбужденного состояния. При переходе атома из возбужденного состояния на новый уровень атом излучает порцию энергии - квант света.

Частота поглощаемого или излучаемого света определяется физическими константами активного вещества лазера. Широко используется кристаллический лазер на основе синтетического рубина в форме стержня, служащего резонатором, в котором возникает и формируется луч, испускаемый лазером.

Простейшая схема кристаллического лазера показана на рис. 47. Рубиновый стержень 7 оснащается импульсной лампой 3, наполненной ксеноном и лампой вспыхивающей при импульсном разряде конденсатора источника питания 4 (источника энергии накачки). По торцам стержня установлены непрозрачная 2 (с коэффициентом отражения 1) и полупрозрачная (с коэффициентом отражения 0,5) пластины 5. Световой луч 6, возникающий в результат возбуждения атомов, выходит наружу через пластину 5.

На рис. 48 показан процесс образования лазерного луча. Атомы хрома (черные точки), содержащиеся в рубине, находятся невозбужденном состоянии (рис. 48,а). Под действием фотон света от лампы атомы хрома переходят в возбужденное состояние (рис. 48,6). Часть излучаемой энергии рассеивается через стенки стержня и проявляется в форме люминесцентного свечения рубинового кристалла.

Другая часть энергии, направленная параллельно оси стержня (рис. 48,а), по пути своего движения вызывающую цепную реакцию образования новых фотонов, многократно отражается от пластин 1 и 2, лавинообразно нарастая при каждом отражении, и в виде мощного светового луча вырывается из торца полупрозрачным покрытием (рис. 48,г). Простейшая установка для лазерной обработки показана на рис. 49.

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.

Сферической оптикой излучение фокусируется в точку, а цилиндрической оптикой -в линию, длина которой определяется поперечным сечением луча генератора.

49. Схема установки для лазерной обработки материалов

1-оптический квантовый генератор; 2-диафрагма;3-оптический микроскоп для наведения луча; 4-защитное стекло; 5-обрабатываемая заготовка; 6-блок питания.

Первый лазер на кристаллическом рубине ( плавленая окись алюминия с добавкой 0,04- 0,05% атомов трехвалентного хрома) был создан 1960 г. Наряду с рубиновыми лазерами широкое распространение получили лазеры на стеклянной основе, имеющие ряд таких достоинств, как большие размеры стержней (до 2000 мм), длина рубиновых стержней до 300мм, простота изготовления образцов любой формы, высокая оптическая однородность, простота массового производства. Наиболее интересным по своим возможностям считают твердый лазер на иттриево-алюминиевом гранате с примесью неодима. Это единственный твердый лазерный материал, на котором удалось получить в непрерывном режиме мощность более 1 кВт. Однако этот материал дорогой, и не удается выращивать стержни длиной болee 12 см. Срок службы твердотельных лазеров определяется сроком службы лампы накачки и достигает 1500 ч, КПД их весьма невелик (КПД лучшего рубинового лазера не превышает 1,5%)

Газовыми называют лазеры, в которых активной средой является газ, смесь нескольких газов или смесь газа с парами металла. Особенность газовой активной среды - ее высокая оптическая однородность, дающая возможность применять большие оптические резонаторы и получать высокую направленность и монохроматичность излучения. Большим достоинством газовых лазеров является также их способность работать как в непрерывном так и в импульсном режимах. Газовые лазеры возбуждаются продольными электрическими разрядами, поперечными электрическими размерами и с помощью иных принципов.

В жидкостных лазерах активной средой является жидкость, редкие активные среды имеют существенные преимущества по сравнению с твердыми и газообразными. Размеры твердого резонатора ограничены технологическими возможностями. Объем жидкой среды может быть любым. Важным преимуществом жидкой среды является отсутствие потерь излучения из-за неоднородной структуры активного вещества, что наблюдается в твердых резонаторах. Легко решается проблема отвода тепла (за счет циркуляции жидкости резонатора). По сравнению с газообразной активной средой жидкая среда характеризуется большей концентрацией активных молекул, поэтому она более пригодна для получения мощного непрерывного излучения. В настоящее время широко используют жидкие активные среды трех классов: растворы редкоземельных хелатов, растворы органических красителей и растворы неорганических соединений редкоземельных элементов. Накачка осуществляется с помощью лампы-вспышки или импульсных устройств специальной конструкции.

При обработке заготовок лазерами с помощью сравнительно несложной оптической системы можно сфокусировать луч на площадку диаметром в несколько микрометров. Тогда при мощности генератора в несколько кВт можно получить плотность потока излучения в зоне воздействия до 10¹⁰ Вт/см². Температура в точке приложения луча достигает величин, достаточных для расплавления и превращения в пар любого из существующих материалом В большинстве случаев эта температура находится в интервале 5000-9000° С (большие значения - для сильно поглощающих материалов, меньшие - для полупрозрачных с высокой отражающей способностью).

Взаимодействие излучения высокой интенсивности с веществом вызывает в зоне воздействия выделение большого количества тепла, которое приводит к расплавлению и испарению вещества. В зоне воздействия развивается достаточно высокое давление паров вещества и происходит выброс продуктов «световой эрозии». Это справедливо для большинства металлических и неметаллических материалов. Процесс носит взрывной характер, так как время и излучения при импульсном воздействии чрезвычайно мало (0,001 -0,00001 с).

Несколько иной характер имеет процесс удаления веществ при получении отверстий в алмазах (например, получение фильер В этом случае под воздействием высокой температуры происходит выгорание углерода.

Основными факторами, определяющими обрабатываемость материалов лазером, являются их теплофизические свойства и прежде всего температуры плавления и кипения, теплоемкость, теплопроводность. Различная твердость и шероховатость поверхности практически не оказывают влияния на результаты обработки. Материалы обладают различной относительной обрабатываемостью: вольфрам - 0,7; алюминий - 3,3; титан -4,5; медь -1,0; сталь У10-4,0; олово 20,0.

Достаточно легко обрабатываются сфокусированным лучом лазера керамика и синтетические камни.

У большинства металлических и неметаллических деталей входное отверстие оказывается окруженным валиком выброшенного из кратера жидкого вещества. Исключение представляет алмаз, при обработке которого жидкая фаза отсутствует. Обработанное лучом лазера отверстие имеет неодинаковые в продольном сечении размеры (по глубине). Можно выделить три основные зоны, отличающиеся своими размерными характеристиками: вход, средняя часть и дно. Размеры этих зон для различных материалов неодинаковы и определяются теплофизическими свойствами материалов. Средняя часть отверстия имеет относительно цилиндрическую форму по всей глубине. Поэтому для получения цилиндрических отверстий в пластинах целесообразно применять следующий технологический прием. На заготовку накладывают пластину из того же материала, толщина которой равна величине входной зоны. В результате обработки конусная часть, образуемая вначале, оказывается на этой пластине. Удаляемые продукты также остаются на пластине, а основные отверстия заготовки получаются нормальной цилиндрической формы.

При прошивке лучом лазера сквозных отверстий они в продольном сечении имеют корсетную форму.

Перспективным методом более точной обработки отверстий является многоимпульсный метод. При этом методе формирования отверстия производится не за один импульс, а в течение серии импульсов определенной мощности и длительности. Режимы получения отверстий с помощью лазерных установок приведены в табл. 23.

Достаточно эффективна газолазерная резка материалов (резка лучами лазера с использованием газа, подаваемого в зону резки). Тип газа зависит от вида обрабатываемого материала. Поддув газа позволяет повысить скорость резки и получить более качественный разрез. В технологических установках для лазерной резки используют как импульсные лазеры, так и лазеры непрерывного действия, обычно на углекислом газе, с мощностью излучения

Р= 100-=-1000 Вт

Характеристика процесса резки материалов излучением лазера приведена в табл. 24. Значительное влияние на скорость резки материалов излучением лазера оказывает давление газовой струи. При высоком давлении рабочая зона лучше очищается от продуктов разрушения и процесс идет более эффективно. Для резки хрупких материалов (полупроводники, керамика, стекло и пр.) не обязательно осуществлять сквозной разрез. Эти материалы могут быть разделены путем нанесения на их поверхность неглубоких царапин с последующим изломом по этим линиям. Такой процесс называется скрайбированием. Достижимая точность обработки лучем лазера составляет около 1% величины диаметра получаемого отверстия, а шероховатость обработанной поверхности соответствует

Ra=0,32-^- 1,25 мкм

Таблица 24. Характеристика процесса резания материалов лучами лазера

	Толщина,	Газ. подаваемый	Мощность	Скорость
Материал	мм	в зону резания	лазера, Вт	резания, м/мин
Сталь: малоуглеродистая
	1 2 2	Кислород	100 ЙКГ)	1,6 1 8
коррозионно-стой к ая	О',5		250	2,6
	1.0	Кислород	100	0,94
	9,0		850	0,36
	0,6	Воздух	250	0,20
Титан	0,5	Кислород	850	3,24
Ниобий, тантал	0,13	Воздух	200	0,13
Лавсан	0,25	Кислород	4	1,2
Полипропилен	0,5	Кислород	4	0,2
Ватман	0,25	Кислород	4	1,2
Дерево	5	Аргон	850	4,5
Керамика	6,5	Аргон	850	0,6
Кварц	1,02	Кислород	500	1,52
	1,2		100	0,5

2. ЭЛЕКТРОННОЛУЧЕВАЯ ОБРАБОТКА МАТЕРИАЛОВ

Электронно-лучевыми называются методы, при которых для технологических целей используют остросфокусированный пучок электронов, движущихся с большой скоростью.

Метод электронно-лучевой обработки (плавки, сварки, резки) основан на использовании тепла, выделяющегося при резком торможении потока электронов поверхностью обрабатываемой заготовки. При электронно-лучевой обработке деталь помещают в герметическую камеру, в которой благодаря непрерывной работе вакуумных насосов обеспечивается высокая степень разрежения (до 10~7 Па).

Поскольку электроны не изменяют химических свойств твердого тела, то обработка ими в вакууме является существенным достоинством этого метода, так как при обработке не происходит химического загрязнения заготовки газами.

Существенной предпосылкой для использования в технике электронного луча как термического инструмента для обработки материалов является относительная простота получения большого количества свободных электронов.

Если нагреть в вакууме металлическую, например танталовую или вольфрамовую, проволоку, то с поверхности последней эмитируются электроны (термоэлектронная эмиссия), число и скорость которых зависят от температуры нагрева.

Кинетическая энергия этих электронов, беспорядочно движущихся в пространстве, окружающем эмиттер, сравнительно невелика. Ее можно существенно повысить путем ускорения движения электронов в определенном направлении воздействием электрического поля, создаваемого высокой разностью потенциалов между эмиттером, являющимся в данном случае катодом и анодом.

Для этого используют специальное устройство - электронную пушку, которое вместе с электронно-оптической системой создает остросфокусированный пучок электронов, эмитируемых катодом, ускоряемый в вакууме электрическим полем с разностью потенциалов до 150 кВ. Скорость электронов при этом может достигать 100 000 км/с и более.

Рис. 50. Установка для электронно-лучевой обработки материалов

Установки для обработки материалов сфокусированным пучком электронов состоят из трех основных устройств: электронной пушки, фокусирующей системы и рабочей камеры (схема установки для электроннолучевой обработки показана на рис. 50). Источником электронного луча является катод 1, представляющий вольфрамовую спираль, нагреваемую до температуры 2600- 2800 °С. При этом происходит интенсивная термоэлектронная эмиссия с катода. Электроны, эмиттируемые катодом электронной пушки, формируются в пучок электродом 2, расположенным непосредственно за катодом, на который подается отрицательное относительно катода напряжение смещения, ускоряются под действием разности потенциалов между катодом и анодом 3. Затем с помощью воздействующих на него магнитных полей двух пар катушек 4 пучок электронов направляется в электронно-оптический центр магнитной фокусирующей системы 6. Между магнитными системами (4 и 6) установлена вольфрамовая диафрагма 5 с водяным охлаждением. Эта диафрагма служит для улавливания рассеянных электронов. Фокусное расстояние магнитной линзы 6 может изменяться при изменении тока, пропускаемого через обмотку, что используется для установки как рабочего режима (рабочей точки), так и необходимого поперечного сечения луча в месте встречи его с поверхностью обрабатываемой заготовки 9. Ниже фокусирующей системы расположены отклоняющие катушки 7, служащие для автоматического перемещения луча по заданному направлению. Заготовка помещается в рабочую камеру 8, в которой создают разрежение.

Удельная мощность пучка электронов весьма велика (табл.25).

Таблица 25. Удельная мощность пучка электронов при различных источниках энергии

Источник энергии	Поперечное сечение пучка, ммі, не менее	Удельная мощность, кВт\ммІ
Сварочное пламя Электрическая дуга Электронный луч	1 0,1 1-6	0,5 1 5000

Рис. 51. Механизм удаления вещества сфокусированным пучком электронов

На рис. 51 показан механизм удаления вещества сфокусированным пучком электронов. Из-за неравномерного распределения плотности энергии по сечению пучка (область в центре пучка с высокой плотностью окружена областью с меньшей плотностью) и более интенсивному выделению тепла во внутренних слоях расплавление твердого тела начинается в зоне, расположенной по оси симметрии пучка электронов и на небольшом расстоянии от наружной поверхности заготовки (рис. 51,а, б). За счет торможения электронов заготовка на этом микроучастке в зоне 1 нагревается до температуры, при которой разрушаются молекулярные связи. Атомы уже не удерживают друг друга, и по оси симметрии возникает импульс высокого давления, создающий условия для взрывообразного испарения (рис. 51,в). За счет лавинообразного нарастания плотности электронного пучка процесс удаления вещества Происходит с взрывообразным испарением частиц материала в виде центральной струи факела. После каждого импульса на поверхности образуется небольшая лунка - кратер. Площадь кратера возрастает в зависимости от плотности электронного пучка и длительности импульса. В результате диаметры отверстий, получаемых электронно-лучевым методом, при больших по времени импульсах получаются большими. Глубина кратера при действии электронного пучка в значительной степени зависит от теплофизических свойств материала: в менее тугоплавких материалах глубина кратера при прочих равных условиях больше. Прочность и твердость материала существенного влияния не оказывают.

Благодаря кратковременности действия электронных лучей и большой плотности потока излучения обрабатываемый материал плавится и испаряется столь быстро, что тепло не успевает распространиться в стороны от места падения луча (практически зона плавления не больше поперечного сечения луча в месте попадания его на заготовку).

В направлении излучения луч электронов действует на гораздо большую глубину, равную примерно 100 диаметрам луча. Таким образом, электронным лучом можно резать материалы без образования дефектного слоя, практически без отходов и с высокой производительностью.

Электронным лучом обрабатывают детали из вольфрама, титана, твердых сплавов, синтетических камней, осуществляется сварка и пайка.

Рис. 52. Схема управления перемещением электронного луча

Ввиду малого диаметра пучка электронных лучей, локальности действия создаваемого ими тепла и отсутствия влияния износа инструмента можно получить при обработке высокую точность размеров и малую шероховатость поверхности.

Пучки электронов диаметром 5 мкм позволяют производить прецизионную обработку с точностью ±1 мкм. Пучком электронов на доводочных режимах можно получать поверхности с высотой микронеровностей до 1 мкм. Пучком электронов легко управлять, воздействуя на отклоняющие катушки 1 (рис. 52). Резку по кон туру можно осуществлять, используя механические перемещении стола с обрабатываемой заготовкой.

Электронно-лучевой метод особенно эффективен при обработке малых отверстий и узких щелей в фильерах и других деталях. Использование электронных лучей для резания материалов ограничивается их толщиной.

Такие материалы, как ферриты, легированные стали толщиной до нескольких миллиметров, режутся сравнительно хорошо. Например, стальной лист толщиной 1 мм можно резать со скоростью 20 мм/с при относительно небольшом потреблении энергии. Время обработки зависит от ряда факторов обрабатываемого материала, площади обрабатываемой поверхности и др. Например, для обработки паза шириной 0,05 мм и длиной 3 мм в стальной пластине толщиной 0,5 мм требуется около 20 с

3. УСТАНОВКИ ДЛЯ ЛУЧЕВОЙ ОБРАБОТКИ МАТЕРИАЛОВ

Отечественной промышленностью выпускается множество различных установок и станков для лазерной и электронно-лучевой обработки.

Таблица 26. Технические данные лазерных установок для обработки отверстий

Тип установки	Энергия излучения в импульсе, Дж	Частота следования импульсов, Гц	Длительность импульса, мс	Диаметр обрабатываемой зоны, мкм	Потребляемая мощность, Вт
К-3М «Луч-1М» «Луч-10» «Поток-3» «Квант-3» «Корунд» «Квант-9»	1,5 2-3 1-2 1 15 0,5 10	Одиночный 3 10 1 1 10 1	0,5-0,8 2 0,5-3 2 0,5-5 0,15 0,5	2-150 30-150 2-200 20-150 5-300 50-100 5-1000	500 1500 1200 1500 2000

Технические характеристики некоторых установок для лазерной обработки отверстий приведены в табл. 26. Для обработки отверстий широко используют установку «Квант-9», состоящую из твердотельного лазерного излучателя, оптической системы, источника питания, системы управления и системы охлаждения. Установка «Квант-9» показана на рис. 53, схема излучателя и оптической системы установки дана на рис. 54.

Лазерный излучатель состоит из оптического резонатора, образованного зеркалами 1 и 3, и твердотельного активного элемента 2, изготовленного из стекла с неодимом. Элементы 4, 5, 13, 14 и 18 обеспечивают фокусировку лазерного излучения на обрабатываемой заготовке21.  Рис. 53. Установка «Квант-9»:

1- излучатель; 2 - оптическая система; 3 - система управления; 4 - источник питания; 5 - система охлаждения

Рис. 54. Схема оптической системы установки «Квант-9»

Плоскопараллельная пластина 17 защищает объектив 18 от засорения и загрязнения испаряющимися из зоны обработки материала веществами. Для наблюдения за обрабатываемой заготовкой сверху служит микроскоп, состоящий из объектива 18, линзы 12, светофильтра 9, сетки с перекрестием 10 и окуляра 11. Для наблюдения за заготовкой сбоку использую i второй микроскоп. В состав этого микроскопа входят защитное стекло 23, поворотная призма 24, объективы 25 и 15, подвижный фокусирующий элемент 6, зеркало 7. С помощью светоделительного куба 8 поле зрения второго микроскопа совмещено с полем зрения первого микроскопа, что позволяет использовать для наблюдения за заготовкой сверху и сбоку одни и те же элементы 9 я 11. Для освещения обрабатываемой заготовки служат лампа 19, линза 20 и фокон 22. Заслонка 16 предназначена для переключения наблюдательных ветвей оптической системы.

Для накачки активного элемента в установке «Квант-9» применена импульсная лампа ИФП-1200, напряжение на которую подается от источника питания типа ИП-1.

Источник питания состоит из повышающего трансформатора и батареи накопительных конденсаторов емкостью 800 мкФ. Система управления СУМ-5 задает частоту следования разрядных импульсов и производит их счет, также обеспечивает плавную регулировку и стабилизацию напряжения на накопительных конденсаторах в диапазоне 200-2000 В Из оборудования, предназначенного для электронно-лучевой об работки, можно рассмотреть универсальную электронную установку ЭЛЦРО.

Установка предназначена для обработки микроотверстий, вырезания мелких деталей, микросварки, в том числе жаростойких сталей и сплавов. В процессе обработки могут быть применены программные устройства для управления движениями стола и электронного пучка.

Наименьший диаметр обрабатываемого отверстия или ширина щели 0,01 мм. Наибольшая глубина 2 мм, размеры рабочей поверхности стола 200x250 мм, точность перемещения стола ±3 мкм.

Промышленность выпускает гамму электронно-лучевых сварочных установок моделей ЭЛУ-1, ЭЛУ-2, ЭЛУ-4, У-ЗМ2, У-86 и др

Техническая характеристика электронно-лучевой установки ЭЛУ-2

Рабочий вакуум, Па Тип электронной пушки Мощность в пучке, кВт, не более Скорость сварки, м/ч Габаритные размеры вакуумной камеры, мм (диаметр X длина)	6-10-3 ЭП-25 1,5 До 40 500x400

В ЭНИМСе разработаны лазерные станки мод. 4222 и 4222Ф2, в которых применена проекционная схема локализации излучении на заготовку, допускающая плавное изменение диаметра световом' пятна в зоне обработки в пределах 0,02-0,2 мм. Система наблюдения обеспечивает непрерывный контроль обработки и снабжена двумя сменными оптическими головками. При изготовлении деталей оптические устройства позволяют рассматривать заготовку трех проекциях (снизу, сверху и сбоку), что способствует получению высокой точности геометрических размеров. Схема управления станками допускает как ручной, так и автоматический режим боты. При многоимпульсном сверлении или многопроходной резки материалов возможно заранее устанавливать нужное число импульсов (число проходов), причем энергию лазера можно при необходимости увеличивать от импульса к импульсу или от прохода проходу. Станок мод. 4222Ф2 оснащен системой ЧПУ и предназначен для прошивания прямоугольной сетки отверстий с высокой точностью. Система ЧПУ управляет квантовым генератором и двухкоординатным столом, имеющим привод на шаговых двигателях.

Станок обеспечивает прошивку до 106 отверстий в одной детали с межосевым расстоянием 0,5-2,5 мм, изменение числа импульсов на обработку одного отверстия от 1 до 5. При одноимпульсной работке производительность станка 9000 отверстий в час при межосевом расстоянии 1,5 мм. Максимальное перемещение стола 0X300 мм.

Техническая характеристика станка мод. 4222

Энергия излучения, Дж До 3
Длительность импульса, мке 100-500
Частота следования импульсов, Гц 2, 4, 8
Диаметр обрабатываемых отверстий, мкм 20-1000
Глубина резания, мм, не более До 3
Напряжение сети, В 380
Потребляемая мощность, кВт 3
Габаритные размеры, станка 1410x1245x650
блока питания 1000x920x570

ГЛАВА ТРЕТЬЯ. УЛЬТРАЗВУКОВАЯ ОБРАБОТКА МАТЕРИАЛОВ

1. УЛЬТРАЗВУКОВЫЕ КОЛЕБАНИЯ

Ультразвуковыми называются упругие колебания материальной среды с частотой, превышающей верхний предел слышимости человеческого уха (св. 18 000 Гц). Ультразвуковая энергия передается в виде волны, которую на графике можно представить гармонической кривой (рис. 55). Здесь по оси абсцисс отложено расстояние по направлению распространения волны, а по оси ординат - смещение частиц от их первоначального положения. Основными причинами, характеризующими гармонические колебания, являются: X - длина волны, расстояние между двумя смежными точками, находящимися в одной фазе; А - амплитуда колебаний, на большее смещение колеблющейся точки от положения равновесия - частота колебаний, число колебаний в единицу времени; Т\ период колебаний, время распространения волнового движения на расстояние, равное длине волны в секундах или долях секунды. Период колебаний Т является величиной, обратной частоте.

Рис. 55. График волнового движения

Рис. 56. Виды ультразвуковых волн:

1 - продольные; 2 - поперечные; 3 - поверхностные

Скорость распространения звуковых волн С связана с длиной волны и частотой колебаний

Малые длины волн дают возможность ультразвуку распространяться в средах направленными пучками, получившими название ультразвуковых лучей. Ультразвуковые лучи получают увеличением частоты колебаний. Так, например, при частоте колебаний 100 кГц в твердом теле длина волны будет около 4 см. При волновом движении материальной точки в каждый момент времени частица обладает определенным значением смещения, скорости ускорения. В момент времени t мгновенное значение смещения=As\na>t, где со - круговая частота 2я/, т. е. число колебаний время 6,28 с.

Скорость колеблющейся частицы

vT=A(dcosa)t

ускорение:

а, = соМ sin (ot - Лео2)

Ультразвуковые волны могут распространяться в любых упругих средах: жидких, твердых и газообразных. Различают три ультразвуковых волн - продольные, поперечные и поверхностные (рис. 56). В твердых телах могут распространяться волны всех трех видов, в жидких и газообразных - лишь продольные.

Если к какому-нибудь твердому телу приложить силу, то в ней произойдут деформации, т. е. некоторое смещение одних частиц отношению к другим. В результате может измениться как объем так и форма тела. Таким образом, твердые тела обладают только объемной упругостью, но и упругостью формы. Поэтому твердых телах наряду с нормальными могут возникать и касательные напряжения сдвига, а вместе с ними и поперечные волны. При воздействии механической силы на газы и жидкости происходит лишь изменение объема, форма же остается без изменения и зависит от формы сосуда, в котором они находятся. Таким образом, в жидкости или газе не могут возникать касательные напряжения и они обладают только объемной упругостью.

Скорость распространения продольных волн в стержнях постоянного сечения, наибольший поперечный размер которых меньше длины волны, определяется по формуле

де Е - модуль Юнга

р - плотность материала.

Скорость распространения продольных волн в стальном стержне равна 5170 м/с, в воде 1494 м/с, в воздухе 331 м/с.

В более толстых стержнях сказывается эффект поперечного сжатая- увеличение инерции в результате радиальных колебаний, это вызывает уменьшение скорости распространения продольных волн. Скорость распространения ультразвуковых волн в таких стержнях определяют по более сложным зависимостям. Скорость распространения продольных волн в стальном стержне длиной 12 см зависит от радиуса г

Схема:

R,см 0,5 2 5 10 15 20 С,м\с 5050 5020 4880 4410 3890 3380

Скорость распространения продольных волн значительно больше скорости распространения поперечных волн - опер 0,63.

Распространение ультразвуковых волн в твердых телах сопровождается потерями энергии на внутреннее трение, теплопроводность и упругий гистерезис. Потери энергии зависят от физико-механических свойств и структуры материала, а также от частоты колебаний.

Относительное значение потерь энергии для некоторых материалов: алюминий отожженный - 0,015; титан отожженный - 0,14; сталь отожженная - 0,8; медь отожженная-1,1; стекло - 2,0; каучук - 200. Алюминий и титан имеют малые потери и обладают высокими акустическими свойствами, однако не все материалы пригодны для изготовления инструмента и деталей волноводов ультразвуковых установок. Так, алюминий и его сплавы имеют низкую прочность при статических и динамических нагрузках.

Когда ультразвуковая волна попадает на границу раздела между двумя средами, то часть звуковой энергии из первой переходит во вторую, а часть энергии отражается обратно. При этом распределение энергии между перешедшей в другую среду и отраженной от нее зависит от соотношения акустических сопротивлений данных сред. При нормальном падении плоской волны коэффициент отражения Ко представляющий собой отношение интенсивности в отраженной и падающей волнах.

Рис. 57. Схема образования стоячей волны

Для стали и латуни потеря энергии ультразвуковой волны при отражении от второй среды (латуни) составляет 1,9%. Для стали и воды потеря энергии составляет 88%.

При движении ультразвуковой волны из стали в воздух отражается 99,96% энергии. Когда ультразвуковая волна при своем распространении отразится от какой-либо поверхности тела, имеющего другую плотность, она сложится с прямой волной.

Взаимное наложение бегущих 1 (рис. 57) и отраженных волн 2 создает так называемую стоячую волну, играющую весьма важную роль в ультразвуковой технике.

Те места, где амплитуда обеих волн (прямой и обратной) равна нулю, называются узлами стоячих волн, а места, где ампли туда максимальна, - пучностями.

2. КИНЕМАТИКА УЛЬТРАЗВУКОВОЙ ОБРАБОТКИ

Для любого процесса резания, в том числе и ультразвукового сопровождающегося скалыванием мельчайшей стружки, необходимо различать два движения: главное - движение резания и вспомогательное - движение подачи. При размерной ультразвуковой обработке главным движением надо считать продольные колебания инструмента с ультразвуковой частотой, которые являются источником энергии абразивных зерен. Рабочий ход совершается при перемещении инструмента вниз, холостой ход - при перемещении инструмента вверх.

Рис. 58. Схемы ультразвуковой обработки при использовании комбинации подач:

а, б - обработка отверстий; в, г - обработка пазов и направляющих; д - обработка внутренней резьбы; е - обработка наружной резьбы; ж--обработка отверстия с криволинейной осью; 3 - обработка криволинейных кольцевых пазов.

Для применяемых диапазонов частот и амплитуд колебаний инструмента скорость главного движения при размерной ультразвуковой обработке находится в достаточно широких пределах 0,6-6 м/с. Максимальная скорость колебания в 1,5 раза больше, чем средняя. Например, при:

f = 20 кГц и Л = 0,03 мм

скорость-главного движения составляет 2,4 м/с, максимальная скорость-3,8 м/с.

Вспомогательные движения - движения подачи при ультразвуковой обработке - могут быть различными: продольная подача - snp, поперечная подача - snOn и круговая подача - sKP, в зависимости от вида движения заготовки или инструмента. В зависимости от вида подачи или комбинации подач, а также профиля в продольном и поперечном сечении инструмента можно осуществлять различные операции ультразвуковой обработки (рис. 58).

Наибольшее промышленное применение получили процессы: ультразвукового сверления, прошивания и резания, имеющие предельно простую кинематику-главное колебательное движение ш продольную подачу.

3. ИСТОЧНИКИ ЭНЕРГИИ ИНСТРУМЕНТА ПРИ УЛЬТРАЗВУКОВОЙ ОБРАБОТКЕ

Источником колебательной энергии инструмента является достаточно мощный, обычно ламповый, генератор тока высокой частоты. Электрические колебания превращаются в механические в специальных устройствах, называемых преобразователями или вибраторами. При этом электрическая энергия преобразуется в энергию упругих колебаний так, что вибратор попеременно удлиняется и укорачивается. Для целей размерной обработки принципиально могут быть применены преобразователи двух типов: пьезоэлектрические и магнитострикционные. Для станков промышленного типа, работающих в диапазоне частот 16-М0 кГц, наиболее целесообразно применение магнитострикционных вибраторов. Эти вибраторы обладают следующими основными преимуществами перед пьезоэлектрическими вибраторами: имеют значительную большие величины относительных деформаций, т. е. амплитуду, больший срок службы, большую прочность; значительно менее чувствительны к температурным воздействиям, небольшое значение полного электрического сопротивления и поэтому не требуют высоких напряжений.

Рис. 59. Схема установки для ультразвуковой обработки

Рис. 60. Ультразвуковые концентраторы:

а - экспоненциальный; б - конический; в - ступенчатый

При ультразвуковой обработке в магнитострикционных преобразователях используется эффект продольной магнитострикции, заключающийся в изменении длины стержня из ферромагнитного материала, помещенного в магнитное поле. Наибольшей магнитострикцией обладают железокобальтовые сплавы (альфер) и никель.

Амплитуда получаемых в вибраторных ультразвуковых колебаний обычно оказывается недостаточной для осуществления обработки резанием. Поэтому к торцу колеблющегося преобразователя присоединяется концентратор, представляющий собой акустический волновод.

Принципиальная схема установки для обработки ультразвуковыми колебаниями абразивных зерен показана на рис. 59. Магнитострикционный преобразователь 1 связан с концентратором 2, к концу которого присоединен инструмент 3 воздействующий на абразивные частицы суспензии 5. В заготовке 4 обрабатывается отверстие, копирующее форму и размеры (в сечении) инструмента. Суспензию 5 подают в ванну насосом 6. Электрический высокочастотный ток к преобразователю подается от генератора 7. При работе установки преобразователь охлаждают проточной водой.

Преобразователь и концентратор образуют колебательную систему, к выходному концу которой приложена акустическая нагрузка. Чтобы получить достаточно большую амплитуду колебаний, преобразователь выполняют резонансным, т. е. его размер № вправлении распространения колебаний берут равным или кратным половине длины волны на выбранной для работы частоте. Концентратор также выполняется резонансным.

Чтобы получить максимальное увеличение амплитуды колебаний, концентратор должен иметь специальную форму.

Площадь поперечного сечения концентратора вдоль распространения колебаний изменяется по определенному закону.

Применяют в основном концентраторы трех типов: экспоненциальные, конические и ступенчатые (рис. 60). Закон изменения площади экспоненциального концентратора

g"f x F* = FJ* C .

где Fx - площадь сечения экспоненциального концентратора на? любом уровне х\ Fo - площадь сечения, соответствующая диаметру Do; х - координата центра площади сечения от торца с диаметром Do; e - основание натуральных логарифмов.