_Sysoev_TMS_-lekcii

-почти полное отсутствие окалины;

-возможность получения небольших деталей;

-минимальная ширина реза - 0,20...0,375 мм;

-незначительность прижогов;

-малая зона термического влияния - до 0,05 мм.

Для резки металлов применяют технологические установки на основе твердотельных и газовых СО2-лазеров, работающих как в непрерывном, так и

вимпульсно-периодическом режимах излучения.

Сростом продолжительности воздействия лазерного луча увеличивается и температура на поверхности. Образуется ванна расплава с конвективным перемешиванием жидкого металла, что дополнительно повышает скорость распространения фронта плавления. При высокой плотности потока энергии развивается интенсивное испарение металла, возникают газо- и гидродинамические потоки, способные деформировать поверхность расплава, вызывать выброс жидкого металла и его вскипание. Эти процессы происходят в считанные доли секунды. Очевидно, что при высокой плотности потока образование начального отверстия и последующего реза по мере перемещения луча возможно по механизму выброса и испарения материала, однако практическое использование резания посредством этого механизма затруднено в связи с достаточно высокими энергозатратами на теплопроводность материала и необходимостью поддержания температуры металла на уровне температуры кипения. Существенное снижение энергозатрат достигается использованием для удаления продуктов разрушения металла из канала реза вспомогательного газа, поэтому в настоящее время лазерная резка металла обычно проводится с поддувом газа под давлением в зону резки.

В число газов, используемых при лазерной резке, входят гелий, углекислый газ, кислород (при резке углеродистой стали) или азот (при резке коррозионно-стойкой стали и алюминия).

Газ подается в зону реза через сопло диаметром 0,8...1 мм, а расстояние от среза сопла до поверхности заготовки принимается равным диаметру сопла.

Основные факторы, определяющие производительность и качество лазерной резки:

- плотность мощности лазерного излучения; - давление и состав поддуваемого газа;

- поглощающая способность поверхности обрабатываемого материала; - физические и химические свойства разрезаемого материала. Характеристики получаемого реза:

- точность;

- шероховатость реза Rz; - неперпендикулярность; - клиновидность;

-размер зоны термического влияния;

-количество грата (наплывы на нижней кромке разрезаемого

249

материала).

При резке металлов непрерывным излучением лазера различают стационарный и нестационарный характер разрушения материала, определяемый режимами резки и видом обрабатываемого материала.

Лазерные установки, как правило, включают в себя стол, на котором устанавливают листовые заготовки, подвижной портал с режущей головкой и систему с ЧПУ для управления перемещением головки по заготовке. Некоторые установки оснащают двумя головками, что удобно для резки небольших деталей. Детали, полученные методом пластического формообразования при высоком давлении, часто обрабатывают на многокоординатных станках лазерной резки.

В табл. 5.6 приведены значения скорости лазерной резки в зависимости от используемого материала и толщины листа.

Таблица 5.6

Значения скорости лазерной резки

Лазерная прошивка отверстий позволяет получать отверстия диаметром от десятков микрометров до нескольких миллиметров значительной глубины (до 50 диаметров) с высокой производительностью и точностью в любых металлах, сплавах и керамиках. Обработка производится с подачей под давлением кислорода, воздуха или инертного газа для окисления и выдувания продуктов разрушения из отверстий.

Основные показатели лазерной прошивки отверстий зависят от применяемого оборудования и обрабатываемого материала и могут изменяться в широких диапазонах.

Станки для лазерного сверления отличаются назначением и мощностью используемого лазера. Например, установка JK704 мощностью 400 Вт имеет систему автофокуса и обрабатывает отверстия с точностью ±0,025 мм. Отверстие диаметром 0,5 мм в стали глубиной 24,5 мм прошивается за 90 с, а такое же отверстие в никелевом сплаве толщиной 1 мм

- за 1 с.

Лазерная прошивка отверстий легко автоматизируется, может применяться для получения отверстий с малыми углами наклона, имеет высокую скорость, используется при обработке любых материалов в труднодоступных местах.

250

Существует ряд отечественных лазерных установок, предназначенных для прошивки отверстий, например «Кват-9М», 4222, 422202 (с ЧПУ).

На установках для получения очень мелких отверстий в деталях толщиной до 1 мм можно получить отверстия с минимальным диаметром 15 мкм. Максимальный диаметр отверстия не ограничен, если его осуществляют вырезкой.

По сравнению с электронно-лучевой обработкой (ЭЛО) метод лазерной обработки обладает рядом преимуществ:

•большее удобство обслуживания оборудования;

•отсутствие вакуумных систем;

•высокая удельная мощность и повышенная скорость обработки.

К недостаткам лазерной обработки следует отнести крайне низкий КПД (не более 1%) и сложную систему охлаждения рубинового стержня и ламп подкачки.

5.5Электронно-лучевая обработка материалов

Воснове (электронно-лучевой обработки) ЭЛО лежит воздействие на материал заготовки сфокусированного пучка электронов, кинетическая энергия которых при взаимодействии с объектом обработки преобразуется в тепловую, вызывает нагрев, плавление и (или) испарение обрабатываемого материала. В соответствии с технологическими процессами различают такие операции ЭЛО, как сварка, пайка, вырезание прецизионных заготовок, прошивание отверстий, резание труднообрабатываемых материалов, нанесение покрытий. Режимы реализации этих операций приведены в табл.

5.7, где Uу - ускоряющее напряжение; Nэ, Nуд - полная и удельная мощность электронного пучка соответственно.

Таблица 5.7

Рекомендуемые значения ускоряющего напряжения и мощности электронного пучка для различных процессов ЭЛО

Технологические возможности ЭЛО определяются условиями генерации свободных электронов и их ускорения, характером управления (фокусирование, отклонение) электронным пучком и процессами взаимодействия пучка с материалом заготовки.

Наиболее распространенный способ обеспечения эмиссии электронов - нагрев твердых тел, в связи с чем материал катода должен обладать высокой

251

температурой плавления. Однако даже у таких материалов, как торированный вольфрам (W + Th) или гексаборид лантана (LaB6), срок эксплуатации оказывается недостаточным. Поэтому в последнее время получили развитие новые методы генерации свободных электронов (например, из плазмы газового разряда).

Основной метод ускорения электронов и формирования пучка с определенной энергией - наложение электрического поля. При этом приращение энергии электрона происходит целиком в результате увеличения его кинетической энергии (скорость электронов достигает значений 5... 10 км/с). Ускоряющее напряжение между катодом и анодом определяется характером процесса, например, при плавлении и сварке Uу = 15...30 кВ, а при резании и микросварке Uу - 100...200 кВ.

Управление пучком электронов сводится к его фокусированию и отклонению под действием электрического и (или) магнитного полей. При этом решают две задачи: во-первых, фокусируют пучок в рабочей зоне при помощи так называемых магнитных линз, что обеспечивает возможность регулирования концентрации энергетического потока для различных технологических целей, во-вторых, перемещают пучок по обрабатываемой поверхности в широком диапазоне скоростей и траекторий этого перемещения.

Характер взаимодействия пучка с материалом определяется силой тока электронного пучка Iэ, удельной мощностью Nуд и глубиной проникновения электронов в металл hэ. Первые две величины зависят от энергетических параметров оборудования, а последняя – от энергии электрона и характеристик атомной решетки обрабатываемого материала.

Кроме теплового воздействия электронного пучка на материал заготовки необходимо учитывать его механическое давление на рабочую зону.

Электронно-лучевая обработка осуществляется в вакууме. На практике в установках с электронным пучком вакуум должен составлять не больше 104….10 -3 Па. Некоторые технологические процессы выполняют и при более высоком давлении, однако при этом путь электронного пучка без вакуума должен быть не более 200...300 мкм. Это обстоятельство используют при размерной обработке и сварке, когда в рабочую зону подают защитный газ (например, аргон), а ускоряющее напряжение превышает 100 кВ.

Схема размерной ЭЛО показана на рис. 5.9. Катод электронной пушки 1 излучает электроны, которые затем ускоряются электрическим полем, проходя через центральное отверстие дискового или сферического анода 2, и фокусируются магнитной 3 и отклоняющей 4 системами на очень малой площади обрабатываемой детали 5 (диаметр пятна

составляет сотые доли миллиметра).

Рис. 5.9. Схема ЭЛО:

252

1 – электронная пушка; 2 – кольцевой анод; 3 – магнитная фокусирующая система;

4 – отклоняющая система; 5 – обрабатываемая деталь; 6 – электронный луч;

7 – нить накала

Эрозия обрабатываемого материала происходит в результате высокой концентрации энергии, вызывающей интенсивное тепловое разрушение. Вакуум обеспечивает высокую химическую чистоту поверхности, получаемой в результате обработки, что очень важно при изготовлении особо ответственных изделий.

Во избежание повышенного нагрева при размерной ЭЛО применяют пульсирующий поток электронов. Используемый для этой цели импульсный генератор работает с частотой от 1 до 3000 Гц и длительностью импульса от 0,01 до 0,00005 с, т. е. время облучения в сотни раз меньше, чем пауза. Это позволяет получить такой процесс обработки, при котором металл в зоне обработки за время паузы успевает охладиться настолько, что при следующем импульсе его расплавления вне зоны действия электронного луча не происходит.

При управлении электронным лучом частоту и ширину импульсов можно изменять в весьма широких диапазонах. Кроме того, с помощью электромагнитного поля можно перемещать электронный луч по обрабатываемой поверхности со скоростями до 100 м/с.

К достоинствам ЭЛО можно отнести возможность обработки сверхпрочных материалов, получение сквозных и глухих отверстий крайне малых диаметров, пазов сложной формы по заданному контуру, а также изготовление прецизионных деталей.

Отверстие прямоугольного профиля 0,5x0,05 мм длиной 0,5... 1,5 мм с точностью ± 3 мкм в фильере из легированной стали повышенной прочности выполняется за 10...20 с при ускоряющем напряжении 100 кВ, длительности импульсов 10~5 с и частоте 3 кГц. Стальные листы толщиной до 1 мм электронным лучом малой мощности режут со скоростью 1200 мм/мин.

Технологические характеристики электродно-лучевого сверления для таких материалов, как металлы и сплавы, неметаллы (керамика, кварц, сапфир и др.), приведены ниже:

Недостатками ЭЛО являются сложность и высокая стоимость оборудования, большие затраты времени на создание вакуума, ограничение

253

габаритных размеров обрабатываемых деталей размерами рабочих камер.

5.6 Плазменная обработка

Применение плазменной обработки открывает широкие перспективы поиска новых конструктивных решений в различных областях машиностроения. Из числа разнообразных процессов плазменной обработки относят технологические операции плазменной резки, плазменного точения, плазменно-механической обработки, плазменной наплавки и плазменного напыления покрытий.

Технологические возможности плазменной обработки определяются в основном такими параметрами потока низкотемпературной плазмы, как тепловой поток, средняя температура и скорость истечения, а также распределение этих величин в области рабочей зоны. Эффективная реализация плазменной обработки предполагает следующую оптимизацию стадий ее осуществления:

1)ввод энергии в зону обработки;

2)возбуждение и стабилизацию электрического разряда;

3)ввод плазмообразующей среды и материала;

4)вывод готового продукта.

Наиболее распространенный способ ввода энергии в зону обработки – возбуждение разряда между электродами (дугового, тлеющего, коронного и высокочастотного). Ввод плазмообразующей среды характеризуется геометрией потока относительно электродов и определяется обычно конструкцией плазменного генератора применительно к конкретному процессу.

Плазменная резка. Плазменная резка получила значительное распространение после создания термохимических катодов с активными вставками из циркония и гафния. Скорость плазменной резки заготовок толщиной 5...30 мм в 2…8 раз выше газовой, что обусловило ее широкое применение в различных областях машиностроения (например, в заготовительном производстве).

Для этой операции применяют плазменные горелки двух типов. У горелок первого типа дуга горит между электродом из тугоплавкого материала (вольфрам, графит) и соплом, охлаждаемым водой. Газ через дугу выходит в виде факела плазмы, отделяясь от дуги. У горелок второго типа дуга горит между электродом и заготовкой, являющейся анодом, поэтому струя плазмы совпадает со столбом дуги. Горелки первого типа используют, например, для резки тонколистовых металлов и неэлектропроводных материалов, а второго типа - для резки толстолистовых металлов.

Методом плазменной резки разрезают алюминиевые сплавы толщиной до 125 мм, а также другие материалы, включая коррозионно-стойкие стали, толщиной до 100 мм. Скорость резки в зависимости от толщины листа составляет 15...75 м/ч и выше, ширина зоны термического влияния – около 1

254

мм, точность реза – удовлетворительная (± 1,5 мм).

Плазменное точение. Плазменное точение осуществляется на токарном станке плазменной горелкой, установленной тангенциально к поверхности вращающейся детали, при этом удаление материала срезаемого слоя происходит путем плавления. Плазменное точение обеспечивает высокую производительность, так как скорость точения в 5…10 раз выше, чем при механической обработке резанием. Применение комбинированных настроек позволяет совмещать высокопроизводительное плазменное точение с обычной обработкой резанием, что существенно улучшает шероховатость обработанной поверхности.

Плазменно-механическая обработка. Плазменно-механическая обработка представляет собой совокупность операций по нагреву и механическому разупрочнению удаляемого с заготовки слоя металла плазменной дугой и последующему его снятию режущим инструментом (рис. 5.10). Обычно выделяют три режима этого процесса:

–из канавки выдувается металл;

–расплавленный металл не выдувается из канавки, оставаясь на том же

месте;

–канавка на поверхности резания не образуется.

В ряде случаев при первом режиме металл, удаленный из канавки, остается на поверхности резания и остывая отдает ей значительную часть теплоты. Тогда при образовании канавки теплота, выделенная дугой, перераспределяется. Производительность обработки резанием (числитель) и плазменно-механической обработки (знаменатель) для некоторых

Примечание. Для первых трех материалов указана производительность при точении, для двух последних – при шлифовании.

Оптимальная стойкость режущего инструмента реализуется при расположении канавки выплавления на поверхности резания на расстоянии и 1...2 мм от обработанной поверхности. Повышение производительности в 4… 6 раз сопровождается увеличением стойкости режущего инструмента в 2…3 раза в связи со снижением вероятности хрупкого разрушения.

255

Рис. 5.10. Схема процесса плазменно-механической обработки:

Плазменная сварка. Плазменная сварка имеет значительные преимущества по сравнению с традиционными способами сварки плавлением, когда требуются мощные источники нагрева с высокой степенью концентрации энергии для обеспечения необходимой теплопередачи в условиях интенсивного теплоотвода, т. е. для материалов с высокой теплопроводностью (цветных металлов и сплавов).

Использование в качестве плазмообразующей среды бинарных смесей при флюсовой защите металла шва дает возможность сваривать медь и хромистую бронзу толщиной до 40 мм без разделки кромок за один ход.

Благодаря созданию специальных плазмотронов и источников питания, способных возбуждать и стабилизировать малоамперные (около 0,1 А) сжатые дуги, осуществляют сварку тонколистовых конструкций. Применение бинарных плазмообразующих смесей позволяет формировать дугу игольчатой формы в виде конуса, сходящегося к заготовке. Сварку выполняют дугой непрерывного или импульсного действия. Для особо тонкостенных труб с наружным диаметром Dн, толщиной δ предложены следующие режимы автоматической микроплазменной сварки: I = 5...6 A, v =

60...65 м/ч при Dнхδ = =8,8x0,15 мм и I = 8...9 A, v = 70...75 м/ч при Dнх8, равном 8,8x0,2, 10,8x0,2 или 13,0x0,2 мм.

Плазменная наплавка. Плазменную наплавку применяют для восстановления изношенных деталей и изготовления новых. Она позволяет получать рабочие поверхности с повышенными антифрикционными, корро- зионно-стойкими, износостойкими и другими свойствами, причем наплавляемый материал можно подавать в виде проволоки, ленты или порошка.

Наплавочная проволока и поверхность наплавляемой заготовки должны быть чистыми (без следов масла, ржавчины, смазки и других загрязнений), для чего, перед наплавкой проволоку подвергают химической очистке (травлению), а поверхность заготовки – механической обработке до Rz = 40...80 мкм и обезжириванию. Только при такой подготовке наплавляемого и основного материалов можно обеспечить надежное смачивание твердого металла жидким и растекание жидкой ванны по поверхности в процессе наплавки.

Плазменное напыление покрытий. Плазменное напыление покрытий реализуется по двум направлениям:

1)тепловая и кинетическая энергия плазменной струи как высокоэнтальпийного источника энергии используется для нагрева и переноса частиц напыляемого материала и формирования покрытия из них на поверхности подложки;

2)электрический потенциал ионов вещества покрытия применяется для их направленного движения в электромагнитном поле и формирования слоя

256

покрытия на поверхности подложки.

В качестве подложки может выступать поверхность детали, технологической оправки или образца, на которой создается покрытие.

Вследствие универсальности плазменной технологии можно получить покрытия из различных металлов и керамик (в том числе из тугоплавких) при широком спектре толщин (от нескольких миллиметров до долей микрометра), разнообразии структурных характеристик (от пористых и содержащих значительное количество примесных элементов до плотных и высокочистых материалов), а также покрытия, различающиеся адгезионными свойствами на границе раздела с подложкой.

Плазменное напыление можно применять к изделиям как больших, так и весьма малых размеров, материал подложки может как нагреваться (предварительный или сопутствующий нагрев), так и оставаться в исходном температурном состоянии, поддерживаемом системой терморегулирования. Плазма может быть нагрета (до технологически необходимых 3000...5000 К) или оставаться «холодной» (до 1000 К), а также находиться под разным давлением (от нормального или повышенного до технического вакуума). С плазменным напылением связано достижение таких свойств покрытий, как эрозионная и абразивная стойкость, жаро- и гидростойкость, жаропрочность, твердость, а также тепло- и светоотражающие, декоративные и другие свойства.

Плазменные струи получают в специальных устройствах, называемых плазменными генераторами, или плазмотронами (рис. 5.11). Плазмотрон состоит из водоохлаждаемых катода, анода и разделяющего их изолятора. Плазмообразующий газ подается в электрическую дугу, возбуждаемую между стержневым катодом и кольцевым анодом (соплом), нагревается и в виде плазменной струи вытекает из сопла. Распыляемый материал вводится в

плазменную струю в виде порошка или проволоки за анодным пятном. Возможен ввод материала в дугу с плазмообразующим газом.

Рис. 5.11. Схема плазменного напыления:

1 – водоохлаждаемое сопло (анод); 2 – корпус; 3 – изолятор; 4 – электрод (катод); 5, 7 – подвод и отвод воды; 6 – подвод плазмообразующего газа; 8 – подвод распыляемого материала; 9 – ядро струи; 10 – объект обработки (основа, подложка); 11 – зона смешения

Сжатие дуги в камере (сопле) плазмотрона повышает температуру

257

плазменной струи до 10 000... 15 000 К. Нагрев и расширение газа способствуют получению плазменной струей скоростей, приближающихся к скорости звука и превышающими ее. Высокие температура и скорость струи дают возможность напылять покрытия из любых материалов без диссоциации при нагреве и ограничений по температуре плавления. Плазменным напылением создают покрытия из металлов и сплавов, оксидов, карбидов, боридов, нитридов и КМ.

Создаваемые промышленными плазмотронами плотности тепловых потоков составляют 1...8 МВт/м2, что позволяет формировать покрытия из материалов всего известного спектра, включая тугоплавкие металлы и высокотемпературную керамику.

Инертная или восстановительная среда плазмообразующих газов создает условия для защиты от окисления расплавов активных материалов и нормирования доли загрязнителей в составе напыляемого материала.

Скорости течения плазменной струи на срезе сопла обычно составляют 50...300 м/с, иногда достигают 500 м/с. Напорное действие струи обеспечивает на подложке давление до 50...100 МПа, а ударное действие частицы – давление до 1000...2000 МПа. Формирующееся в этих условиях покрытие имеет высокие физико-механические, адгезионные и прочие свойства, качественно отличаясь от покрытий, получаемых другим газотермическим методом – газопламенным (с использованием энергии сгорания ацетилена в кислороде).

Метод плазменного напыления отличается высокой скоростью протекания тепловых процессов при встрече расплавленной частицы с подложкой. Время соударения расплавленной частицы с подложкой, в течение которого капля деформируется и растекается тонким слоем по поверхности, очень мало (10-9...10-10 с). Последующая кристаллизация длится 10-4...10-7 с. Зона термического влияния на подложку под осевшей на ней расплавленной частицей составляет всего несколько микрометров, а градиент температур достигает 105 град/см. Такой характер тепловых процессов близок к режиму интенсивного охлаждения частицы, с которым связана фиксация в материале закалочных, аморфных или метастабильных высокотемпературных фаз. Поэтому плазменно – напыленное покрытие представляет собой КМ (гетерогенный) слоистой структуры, состоящий из сильно деформированных при напылении частиц (чешуек), которые соединены между собой силами механического сцепления и ковалентными (ван-дер-ваальсовыми) силами, а также химическими силами взаимодействия по отдельным участкам поверхности диффузионной сварки в местах контакта частиц между собой и с материалом подложки.

Совокупность параметров процесса влияет на производительность напыления, коэффициент использования напыляемого материала и характеристики полученного покрытия (прочность сцепления, термостойкость, пористость, равномерность, структура).

Процесс плазменного напыления покрытий (рис. 5.12) осуществляется на специальных участках, оснащенных необходимым оборудованием, с

258