4.7. Лучевые методы размерной обработки

Высокая плотность энергии сфокусированного электронного луча (так же, как и светового луча ОКГ (оптического квантового генератора — лазера позволяет проводить размерную обработку за счет нагрева и испарения материала с узколокального участка. При этом обрабатываемость материалов не зависит от их механи­ческих характеристик. Поэтому магнитные материалы и керами­ка, легированные стали и ферриты, твердые сплавы и корунд об­рабатываются одинаково успешно. Наиболее существенно влияют на обрабатываемость теплофизические характеристики.

Возможность точно дозировать энергию луча позволяет осуще­ствлять широкий круг технологических процессов — от местной термообработки, зонной очистки и сварки до механической обра­ботки.

Оба метода позволяют проводить такие операции, как разрезку материалов, получение фасонных поверхностей, обработку отвер­стий, затачивание инструментов, балансировку вращающихся де­талей. Поскольку инструментом является сфокусированный луч, постольку вопрос об износе инструмента так же, как и об ошиб­ках, связанных с этим износом, полностью снимается.

Размерная обработка электронным лучом (РОЭЛ). При обра­ботке электронным лучом расплавление и испарение материала происходят за счет повышения его температуры при резком тор­можении потока электронов в месте встречи с обрабатываемой поверхностью.

Чтобы получить мощный поток электронов, электронный пу­чок, излучаемый вольфрамовым катодом в электронной пушке (рис. 4.14), ускоряют напряжением, приложенным между катодом и анодом, юстируют и фокусируют при помощи системы магнит­ных линз. Стигматор придает лучу круглую форму, а перемещает луч по поверхности изделий отклоняющая система. Кроме того, изделие, закрепленное на координатном столике, само может пе­ремещаться относительно луча. Все устройство находится в ваку­умной камере. Энергия луча (в электрон-вольтах) пропорциональ­на заряду электронов, их количеству и величине ускоряющего на­пряжения.

Однако локальная точечная обработка материала непрерывным потоком электронов невозможна, поскольку для быстрого испаре­ния материала требуется нагрев до температуры, превышающей его температуру плавления, и поэтому непрерывное облучение

Рис. 4.14. Схема установки для электронно-лучевой обработки

области обработки приводит к ее перегреву и к возникновению широкой зоны оплавления. |

При размерной обработке заготовок электронная пушка тает в импульсном режиме, что обеспечивает локальный нarев заготовки, Требуемое распределение температур достигается чередованием мощных импульсов и пауз (во время которых происходит отвод теплоты); таким образом, средняя температура зоны обработки остается ниже точки плавления. Аналогичного эффекта достигают при быстром перемещении луча по обрабатываемой поверхности.

Энергетические характеристики электронного луча существественно зависят от его фокусировки, например, импульс мощностью 1 кВт на поверхности диаметром 0,02 мм создает мгновенную плотность энергии 5• 10⁶ МВт/м² при длительности 3...4 мс.

Достоинство этого метода —- возможность регулировать энергетические характеристики луча в широких пределах, а также лёгкость управления лучом при помощи отклоняющей системы

Метод РОЭЛ перспективен при обработке отверстий диаметром 10…10³ мкм, прорезании пазов, резке заготовок, изготовлении тонких пленок и сеток из фольги. Обрабатывают заготовки труднообрабатываемых металлов и сплавов, а также из неметалли­ческих материалов: рубина, керамики, кварца, полупроводнико­вых материалов. Вакуумные среды позволяют обрабатывать заго­товки из легкоокисляющихся активных материалов.

С помощью электронного луча можно наносить покрытия на поверхности заготовок в виде пленок толщиной от нескольких микрометров до десятых долей миллиметра.

Размерная обработка световым лучом (РОСЛ). Световой луч для технологических целей создается лазером — установкой, обеспе­чивающей усиление светового потока путем возбуждения эмиссии излучения.

Усилители излучения подразделяют на лазеры и мазеры. Пер­вые работают в видимой части электромагнитного спектра (свет), а вторые — в области инфракрасного (ИК) излучения или радио­частот. По агрегатному состоянию усилители подразделяют на твер­дые с пульсирующим или с непрерывным излучением и газовые с непрерывным излучением, применяют также полупроводниковые лазеры. Принцип действия лазера заключается в следующем. Электроны вещества могут обладать определенной энергией и удерживаться на определенных (стационарных) энергетических уровнях (орбитах). Наи­более устойчивое состояние соответствует минимальной энергии. Если им сообщить энергию извне, он перейдет на более высо­кую энергетическую ступень (орбиту), т.е. будет возбужден. Такое состоя­ние неустойчиво, и если подвод энергии извне прекращает­ся, электрон возвращается в исходное состояние с эмиссией (испуска­нием) определенного кванта (фотона) электромагнитной энергии. Такая эмиссия называется спонтанной (самопроизвольной) и на­блюдается, например, при флюоресценции, когда в результате воз­буждения атомов вещества фотонами эти частцы, возвращаясь в исходное состояние, беспорядочно излучают световые фотоны. Усиление излучения в лазерах достигают за счет так называемой индуктированной (вынужденной) эмиссии.

Достоинства РОСЛ заключаются в следующем: для обработки не требуется создания вакуума, при котором значительно труднее управлять технологическим процессом; нет рентгеновского излу­чения, сопутствующего обработке лучом электронной пушки; ла­зерные установки конструктивно проще электронных пушек; в некоторых случаях обработка может осуществляться за прозрачной преградой (например, в запаянной колбе).

Главный недостаток обработки световым лучом — это отсут­ствие надежных методов управления движением луча по обраба­тываемой поверхности, поэтому при обработке перемещается сама заготовка. Из всех известных типов ОКГ (Твердотельных, газовых и полупроводниковых) в технологии пока нашли применение лишь твердотельные лазеры на. кристалле рубина (окиси алюминия, ак­тивированной 0,05 % хрома), дающего выходную энергию излучения до 20...40 Дж, или на стеклянных стержнях активированных неодимом (выходная энергия достигает 100... 120 Дж).

Принцип работы ОКГ, используемого для технологических целей, можно показать на примере такого твердотельного лазе (рис. 4.15).

Инверсия населенностей в твердотельных лазерах создаётся оптической накачкой с помощью ламп-вспышек, световой поток которых поглощается рабочим веществом, возбуждая его.

Питание лампы-вспышки В осуществляется от источника 8 (рис. 4.15, а). Для лучшей концентрации светового потока на эл

Рис. 4.15. Схема ОКГ на твердом теле (а) и структура импульса излучения {б): 1 — блок охлаждения; 2 — наблюдательная система; 3 — глаз; 4 — оптическая система; 5 — заготовка; 6 — рабочий стол; 7 — блок управления; 8 — ис питания лампы накачки; 9 — лазерная головка; П — активный элемент; Е, Ж глухое и полупрозрачное зеркала резонатора⁴, В — лампа-вспышка; Т — рефлектор; Д — лазерный луч; t„_M — длительность импульса излучения лазера; т_к длительность импульса лампы-вспышки

менте П применяется рефлектор Г. Значительная часть энергии (до 50 %), поглощенной активным элементом П, тратится на его нагрев, ухудшающий работу ламп. Чтобы исключить это, приме­няют блок охлаждения 7. Луч света, испускаемый активным эле­ментом, усиливается за счет многократного отражения от глухого зеркала Е и выходного полупрозрачного зеркала Ж и выходит из оптического резонатора в виде узконаправленного светового луча с малым углом расходимости, который с помощью оптической си­стемы 4 можно сфокусировать в точку, линию, группу параллель­ных лучей, окружность и т.д.

Диапазон длин волн, генерируемых различными типами лазе­ров, весьма широк и составляет примерно 0,1... 70 мкм. Для техно­логических целей обычно используют ОКГ, у которых длина волн X находится в пределах 0,4... 10,6 мкм. Диаметр луча на выходе ОКГ без системы 4 определяется размерами активного элемента и зави­сит в основном от энергии накачки W_н. Несмотря на то, что лазер­ный луч высококогерентен, он имеет определенную угловую рас­ходимость θ, которая определяется как

где d_a -— диаметр луча в месте его выхода из резонатора.

Практически из-за дифракционных явлении величина 0 на 1 — 2 порядка больше расчетной и составляет единицы или несколько десятков угловых минут.

Длительность импульса τ_им излучения лазера определяется дли­тельностью импульсного разряда лампы-вспышки В, оптически­ми свойствами активного элемента, свойствами резонатора и температурным режимом. У твердотельных ОКГ τ_им = 0,1 ...5 мс, при этом на протяжении всего импульса генерация происходит отдель­ными пичками, последовательность которых, как правило, нерегулярная, τ _пич = 1... 5 мкс, а длительность интервала между пичка­ми составляет 0,1...0,5 мкс в течение основного времени генера­ции и может увеличиваться до десятков и сотен микросекунд в конце светового импульса (рис. 4.15, б). Средняя мощность им­пульсного излучения твердотельных ОКГ лежит в диапазоне от единиц до сотен киловатт. Мощность газовых лазеров на нейт­ральных атомах составляет милливатты, а молекулярных — от еди­ниц до сотен ватт. В последнее время разработаны С0₂-лазеры с быстрой поперечной прокачкой газа, циркулирующего в замкну­ том объеме. При сравнительно небольших габаритах на них удает­ся получить уровни мощности 6... 10 кВт в непрерывном режиме генерации.

Выходная энергия твердотельных лазеров находится в пределах от долей джоуля до тысяч джоулей, а КПД их не более 1 ...2 %.

Система нуждается в охлаждении, так как при температуре выше 70 °С эффективность работы ухудшается.

Средняя плотность потока энергии в поперечном сечении. при использований фокусируюищх оптических систем может достигать 10¹² МВт/м², сварка и резка тонких пленок осуществляется при плотностях менее 10⁴ МВт/м², а размерная обработка материалов значительной толщины — при плотностях потока энергии более 10²... 10³ МВт/м² и длительности импульса менее 1,5 мс.

Анализ условий формообразования при обработке лучом ОКГ. Тепловой эффект в зоне обработки возникает вследствие торможения потока фотонов в тонких поверхностных слоях материала. Глуби на обработки определяется в основном длительностью импульса облучения и положением фокуса управляющей линзы относительно поверхности. Вследствие того, что фокус в процессе обработки (рис. 4.16) может оказаться на поверхности заготовки, под поверхностью заготовки или над поверхностью заготовки, имеем три различных случая обработки.

При совпадении фокуса с поверхностью, при действии каждое импульса последовательно возникают две фазы — квазистатическая (как бы равновесная), характерная постепенным нагревом зов обработки, что уменьшает прочностные связи обрабатываемо материала с основным массивом, и динамическая, заключающаяся во взрывоподобном удалении жидких и газообразных продуктов облучения из кратера.

При расположении фокуса в толще обрабатываемого материала на некоторой глубине под поверхностью образуется тепловое ядро из которого в конце импульса через каналы проводимости вырывается расплавленный металл в виде жидкой или паровой фазы. Стенки канала истечения оказываются оплавленными.

При расположении фокального пятна над поверхностью обработки в фокальной области возникает высокотемпературная плазма, вызывающая при высоких плотностях энергии пробой газа,

Рис. 4.16. Образование отверстия: а —фокус луча лазера выше обраты ваемой поверхности; б — фокус на обрабатываемой поверхности; в - ниже обрабатываемой поверхности; фокусное расстояние; F –фокусное расстояние; ΔF — расстоя между фокусом луча и обрабатываемой поверхностью

фронт которого распространяется к фокусирующей линзе, что приводит к поглощению части энергии; однако остальная часть энер­гии взаимодействует с верхними слоями заготовки, причем, как и в предыдущих случаях, могут осуществляться квазистатическая и динамическая фазы. При значительных смещениях фокуса — (бо­лее 1,5 мм) пробой газа поглощает большую часть энергии, и ди­намическая фаза может не возникнуть. Образование глухих и сквоз­ных отверстий происходит по примерно одинаковой схеме — вход­ная конусная часть отверстия возникает вследствие оплавления стенок истекающим металлом. Бочкообразная форма отверстия соответствует положению фокуса под обрабатываемой поверх­ностью. Действию плазмы соответствует широкий угол конуса на входной поверхности. При образовании сквозных отверстий воз­никает выходной конус (на рис. 4.16 не показан).

При РОСЛ доминирующее значение имеют погрешности, свя­занные с неточностью изготовления элементов оптической систе­мы, их износ и неточность наводки. Суммирование всех перечис­ленных факторов приводит к получению поля рассеивания диа­метральных размеров по 7 …8-му квалитетам. Суммарное поле рас­сеивания линейных размеров при обработке ОКГ соответствует 7…12-му квалитетам. Точность взаимного положения отверстий, оцениваемая в полярных координатах, соответствует ± 1˚.

Макро- и микрогеометрия поверхности, обработанной лучом ОКГ. Состояние поверхности обработки определяется материалом, энер­гетическими параметрами импульса и положением фокуса. Чем выше энергия импульса и меньше время его действия, тем чище поверхность обработки. Характерные особенности макрогеометрии поверхности — это волнистость, наплывы, впадины. Микрогео­метрия зависит от вида материала. Для нержавеющих сталей ха­рактерна гладкая с цветами побежалости поверхность с шерохова­тостью Ra 0,16...0,08 мкм. Латунь Л 62 дает гладкую поверхность с Ra 0,32...0,16 мкм, а алюминий — оплавленную матовую поверх­ность с Ra 0,63...0,32 мкм.

Керамику покрывают слоем стекловидного оплавленного мате­риала с Ra 0,08 ...0,04 мкм. Однако этот слой непрочен и, скалыва­ясь, обнажает поверхность шероховатостью Ra 0,63 ...0,32 мкм.

Вход и выход отверстий имеют шероховатость хуже в 2—4 раза.

Повышение качества поверхности и точности обработки ОКГ может быть достигнуто как уменьшением составляющих сум­марной погрешности и совершенствованием процессов управ­ления параметрами импульса, так и дополнительными опера­циями, например калибровкой отверстия струей сжатого возду­ха или световым лучом. При этом шероховатость поверхности может быть снижена в 2…4 раза и уничтожаются такие погреш­ности, как выходной конус и ошибки поперечной формы отвер­стия.

Лазерную обработку применяют для прошивания сквозных глухих отверстий, разрезки заготовок на части, вырезания заготовок из листовых материалов, прорезания пазов. Этим методом можно обрабатывать заготовки из любых материалов, включая самые твёрдые и прочные. Например, лазерную обработку отверстий применяют при изготовлении диафрагм для электронно-лучевых установок. Диафрагмы изготовляют из вольфрамовой, танталовой, молибденовой или медной фольги толщиной приблизительно 50 мкм, диаметре отверстия 20...30 мкм. С помощью лазерного луча можно выполнить контурную обработку по аналогии с фрезерованием, т.е. обработку поверхностей по сложному периметру. Перемещениями заготовки относительно луча управляет система ЧПУ, что позволяет прорезать в заготовках сложные криволинейные пазы или вырезать из заготовок детали сложной геометрической формы.