Современные технологические методы обработки деталей

                                    
 
 
 
 
 
 
 
 

Рисунок 7.8 — Схема ионной технологии нанесения покрытий

1 – катод водоохлаждаемый; 2 –  плазма; 3 – обрабатываемая поверхность. 

   В промышленности ионная технология используется для увеличения срока службы металлорежущего инструмента и штампов. При этом износостойкость инструмента увеличивается в 2…5 раз.

   Материал  покрытия получают испарением в вакууме  водоохлаждаемого катода 1. Затем его ионизируют в электрическом разряде и превращают в плазму 2, которая с помощью электромагнитного поля ускоряется и фокусируется в поток по направлению к обрабатываемой поверхности 3.

   Значительная  энергия, которую можно сообщить ионам в плазме, позволяют глубоко  внедрять их в обрабатываемые поверхности и получать прочные поверхностные покрытия (и металлические пленки).

   Плазменным  формованием деталей с помощью  напыления получают тонкостенные детали и заготовки сложной геометрической формы из трудно обрабатываемых металлов (вольфрама, молибдена). Материал в виде плазмы напыляют на оправки или шаблоны, которые в дальнейшем могут или растворяться химическим путем (если они изготовлены из алюминия или меди), или разбираться на части.

   Как правило, полученный после напыления  слой хрупок, имеет слоистую структуру. После отжига он приобретает равновесную мелкозернистую структуру и механические свойства, позволяющие подвергать его механической обработке и использовать в конструкциях.

   Формование  деталей плазменным напылением используется для тиглей, деталей ракетных двигателей и МГД-генераторов. 

   Резка 

   Это термическая резка, независимая  от свойств разрезаемых материалов. Возможность разрезания заготовок  значительной толщины (до 250…300 мм), получение резов любой конфигурации.

   Существуют  две основные разновидности плазменной резки: разделительная и поверхностная – строжка (рисунок 7.9.)

   При ручных работах используется напряжение в 180 В, для машинных работ-500 В.

   При строгании и точении (для удаления деформированного слоя) плазменную головку ставят под углом 40…60° к обрабатываемой поверхности.

   При микроплазменной резке используется величина тока в 5…100 А для разрезания заготовок толщиной 6…8 мм. При этом ширина реза получается не более 0,8…1,0 мм. 

     

Рисунок 7.9. — Схема плазменной головки: 1 – заготовка; 2 – плазменная струя; 3 – дуговой разряд; 4 – медный водоохлаждаемый электрод; 5 – вольфрамовый электрод. 
 
 
 

Светолучивая  обработка материалов 

    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. 
 

    .Физические  основы получения и применения  светолучевых источников энергии 

    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. 

 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.