Меню

Урок 10
Современные технологии обработки материалов

Закономерности технологического развития цивилизации
§43. Современные технологии обработки материалов

В современных технических системах возникает необходимость применения деталей, изготовленных из твёрдых материалов, сплавов и имеющих очень сложную форму, обработать которые невозможно с помощью традиционных технологий токарной и фрезерной обработки, строгания, сверления и др. В связи с этим были изобретены новые технологии обработки материалов.

Электроэрозионная обработка

Электроэрозионная обработка (ЭЭО) заключается в изменении формы, размеров, шероховатости поверхности токопроводящих заготовок под действием электрических разрядов, возникающих между заготовкой и электродом-инструментом (рис. 131). Этот метод обработки изобретён учёными Б. Р. Лазаренко и H. И. Лазаренко в 1943 г.

В процессе обработки на электрод-инструмент и заготовку, которые находятся в жидкой диэлектрической среде — масле, подаётся электрическое напряжение. При сближении электрода-инструмента и заготовки между ними возникает электрический разряд, в канале которого образуется плазма с высокой температурой. Энергии этой плазмы оказывается достаточно, чтобы разогреть, расплавить и испарить небольшое количество материала заготовки. Расплавленные капли, отделившиеся от поверхности заготовки, охлаждаются и остаются в жидкости, а в заготовке образуются выплавленные углубления. Электрические разряды действуют периодически, импульсно: длительность импульса 0,1...10^-7 с, частота от 2 кГц до 0,5 МГц, сила тока в среднем равна 100 А. Электроды-инструменты изготавливают из меди, алюминия, латуни, вольфрама, графитосодержащих материалов.

Форма углублений в заготовке полностью совпадает с формой электрода-инструмента (рис. 132).

Этот метод называют электроэрозионной прошивкой.

Большое распространение получило электроэрозионное копирование, при котором на заготовке отображается форма поверхности электрода-инструмента (рис. 133).

Применяется также электроэрозионное вырезание проволокой. Электрод-инструмент в виде непрерывно перематывающейся проволоки движется по заданной траектории, прорезая в заготовке узкие пазы и вырезая тем самым контуры детали (рис. 134).

Существуют также другие виды ЭЭО: электроэрозионное упрочнение, шлифование и маркирование, электроэрозионная химическая и абразивная обработка и др.

Преимущества электроэрозионной технологии:
— возможность обработки высокопрочных сталей и твёрдых сплавов;
— использование недорогих материалов для изготовления электродов-инструментов;
— получение изделий со сложными фасонными поверхностями;
— возможность получения отверстий диаметром менее 0,3 мм, а также отверстий с криволинейной осью;
— возможность обработки закрытых каналов, недоступных обычной механической обработке, благодаря произвольной форме электрода-инструмента.

На станках для электроэрозионной обработки компьютер управляет как движением формообразования но нескольким координатам, так и технологическими режимами (напряжением, током, величиной зазора между инструментом и заготовкой и др.).

Ультразвуковая обработка материалов

Ультразвуковая обработка (УО) представляет собой воздействие ультразвука (частотой 15—105 кГц) на обрабатываемые заготовки. В качестве источников ультразвуковых колебаний применяют электроакустические излучатели (механические, электромагнитные, магнитострикционные, пьезоэлектрические и др.).

Ультразвуковая обработка используется в промышленности для получения отверстий любой формы, криволинейных пазов, канавок сложного профиля в металлах, стекле, керамике, алмазе и др., а также при штамповке и прессовании металлов.

Станок для ультразвуковой обработки оснащён генератором, который вырабатывает переменный электрический ток ультразвуковой частоты (рис. 135, а), питающий обмотку 5 колебательной системы (излучателя) 4. В результате этого излучатель, изготовленный из специального магнитострикционного материала, вибрирует с малыми амплитудами колебаний (10...70 мкм). Излучатель соединён со стержнем, на котором закреплён инструмент 3.

В процессе обработки инструмент 3 и заготовка 1 находятся в ванне 2. В зазор между инструментом и заготовкой подаётся абразивная суспензия 6 (вода с мелким порошком корунда, карбида бора, карбида кремния или другого абразива). Колеблющийся инструмент ударяет по частицам абразива, а острые абразивные зёрна, в свою очередь, врезаясь в поверхность заготовки, откалывают от поверхности мелкие частицы заготовки (рис. 135, б). По мере воздействия на обрабатываемый материал инструмент всё больше углубляется в заготовку. При этом форма получаемого отверстия полностью соответствует форме инструмента (рис. 136).

Система подачи абразивной суспензии обеспечивает непрерывное поступление свежего абразива в зону обработки, осуществляет удаление продуктов обработки и охлаждение зоны обработки.

Преимущества ультразвуковой технологии:
— возможность обработки твёрдых сплавов;
— обработка хрупких материалов: германия, кремния, ферритов, керамики, кварца, фарфора, фаянса и др.;
— отсутствие после ультразвуковой обработки в детали опасных остаточных напряжений, часто появляющихся при традиционных методах обработки;
— возможность обработки драгоценных и полудрагоценных камней для ювелирной промышленности: алмаза, корунда, рубина, сапфира, хрусталя, агата, нефрита, яшмы, гранита, мрамора и др.;
— получение отверстий диаметром от 0,1 до 60 мм в неметаллических материалах.

Существуют также другие виды ультразвуковой обработки: ультразвуковая резка и очистка поверхностей материалов, ультразвуковая сварка и пайка и др.

Лазерная обработка

Лазер (квантовый генератор) — устройство, преобразующее энергию накачки (световую, электрическую, тепловую, химическую и др.) в энергию узко направленного потока излучения. В настоящее время лазеры широко применяются во многих отраслях науки, техники и медицины (в космической и авиационной навигации, телескопах и целеуказателях, в хирургии, для измерения различных величин: расстояний, температур, времени, давления, концентрации веществ и др.), а также в быту (проигрыватели компакт-дисков, лазерные принтеры, считыватели штрихкодов, лазерные указки и др.).

Уникальные свойства лазеров (высокая плотность энергии, возможность фокусировки луча лазера в точку диаметром один микрометр, точный контроль зоны нагрева и др.) способствовали их успешному применению для обработки различных материалов. На рисунке 137 показана схема лазерной обработки. В точке фокусировки луча лазера возникает очень высокая температура, в результате чего любой самый твёрдый материал расплавляется и превращается в пар.

Резка лазером высокой мощности применяется для раскроя листовых материалов. Лазерный луч, управляемый компьютером, прорезает узкие прорези без существенного нагрева прилегающих участков заготовки, что исключает появление в ней опасных остаточных деформаций после разрезания.

Преимущества лазерной резки:
— обработке поддаются любые материалы;
— для автоматического раскроя материала достаточно внести в компьютер рисунок вырезаемой из листового материала заготовки;
— возможность высокоскоростной резки тонколистовой стали;
— процесс резания автоматизирован;
— возможность вырезания сложных контуров с очень малой погрешностью (рис. 138);

— отсутствие механического контакта позволяет обрабатывать хрупкие и легко деформируемые материалы. Лазерная закалка (термоупрочнение) применяется для повышения срока службы различных деталей, которые в процессе работы подвергаются износу. Сущность процесса лазерной закалки заключается в том, что лазерный луч, двигаясь вдоль поверхности, нагревает её участки с помощью излучения до сверхкритических температур. Нагрев металла осуществляется в короткий период времени и на небольшую глубину, в результате чего после перемещения луча на соседние участки разогретый участок быстро остывает за счёт отвода теплоты во внутренние слои металла. Высокая скорость охлаждения приводит к закалке поверхности.

Лазерная наплавка — метод нанесения материала на поверхность заготовки с помощью лазерного луча. Луч лазера фокусируется на заготовку в виде пятна диаметром 0,2...2,5 мм и локально разогревает её поверхность. В зону пятна подаётся присадочная проволока или порошок наплавляемого металла, которые плавятся и сцепляются с сильно разогретой поверхностью. Лазерная наплавка применяется в промышленности для нанесения на металлические детали покрытий из более твёрдых материалов, а также для восстановления первоначальных размеров изношенных или повреждённых в эксплуатации деталей машин.

Существуют также другие виды лазерной обработки: лазерное легирование, лазерная сварка, лазерная гравировка и др.

Любой, даже маломощный, лазер представляет опасность для зрения человека, поэтому следует соблюдать осторожность в помещениях, где лазеры применяются для декоративного освещения, на концертах, музыкальных мероприятиях.

Плазменная обработка

Плазменная обработка — обработка материалов плазмой, создаваемой специальным устройством — плазмотроном. Плазмой называется высокотемпературный сильно ионизированный газ, состоящий из молекул, атомов, ионов, электронов, световых квантов и др.

Плазмотрон (генератор плазмы) — техническое устройство, в котором при протекании электрического тока через разрядный промежуток образуется плазма, используемая для обработки материалов. На рисунке 139 схематично показаны основные типы плазмотронов: прямого и косвенного действия.

В плазмотроне прямого действия (см. рис. 139, а) плазменная дуга 1 образуется между тугоплавким вольфрамовым электродом 3 (который является катодом) и обрабатываемой заготовкой 9 (являющейся анодом). Температура плазменной дуги — 10 000...30 000 °C. Источник питания 4 обеспечивает ток 400...500 А и напряжение 120...160 В. В плазмотрон подаётся плазмообразующий газ 7 (аргон, гелий, азот, водород, кислород и др.). Для снижения температуры нагрева корпуса 6 плазмотрона в нём предусмотрены полости, заполняемые проточной охлаждающей водой 8. Плазмотроны прямого действия применяют для плазменной (разделительной или поверхностной) резки материалов. Плазменной дугой режут нержавеющие и хромоникелевые стали, медь, алюминий и др., причём толщина разрезаемого металла может достигать 200 мм. Высокая производительность плазменной резки позволяет применять её в поточных непрерывных производственных процессах.

В плазмотроне косвенного действия (рис. 138, б) плазменная дуга 1 образуется между вольфрамовым электродом 3 (который является катодом) и сопловой частью корпуса плазмотрона 10 (являющейся анодом).

Плазмотроны косвенного действия применяют для резания неэлектропроводных материалов (бетона, гранита, органических материалов), а также для плазменного напыления. Покрытия наносят (напыляют) для защиты поверхностей деталей, подвергающихся интенсивному механическому воздействию, работающих при высоких температурах или в агрессивных средах. Материал покрытия (тугоплавкие металлы, твёрдые сплавы, окислы, карбиды, пластмассы и др.) вводят в виде проволоки или порошка в плазменную струю, в которой он плавится, распыляется и, ударяясь о поверхность детали, приваривается к ней.

Преимущества плазменного напыления:
— нанесение покрытий на конструкции больших размеров и изделия сложной формы;
— возможность покрытия изделия из самых разнообразных материалов, включая материалы, не терпящие термообработки в печи (стекло, фарфор, дерево, ткань);
— возможность восстановления и ремонта изношенных деталей;
— механизация и автоматизация процесса напыления;
— нанесение покрытий в несколько слоёв;
— отсутствие деформации основы, на которую производится напыление.

Существуют также другие виды плазменной обработки: плазменная наплавка и сварка, плазменное бурение горных пород и др.

Самостоятельная работа

Работа с информацией.

Ознакомьтесь, выполнив поиск в Интернете и других источниках информации, с современными технологиями обработки материалов, не рассмотренными в данном параграфе:

1) ультразвуковая резка и очистка поверхностей материалов, ультразвуковая сварка и пайка;

2) лазерное легирование, лазерная сварка, лазерная гравировка;

3) плазменная наплавка и сварка, плазменное бурение горных пород. Сохраните информацию в форме описания, схем, фотографий и др.

Проверяем свои знания

1. Что такое электроэрозионная прошивка?

2. Какие меры безопасности следует соблюдать при посещении мероприятий с декоративным лазерным оформлением?

3. Почему неметаллические материалы можно разрезать только плазмотроном косвенного действия?