§ 8.4. Электронно-лучевая обработка (эло)

Основана на воздействии на материал сфокусированного и ускоренного потока электронов, кинетическая энергия которых совершает работу по нагреву, плавлению и испарению материала. В установках с ЭЛО применяют ЧПУ. Метод используется для обработки отверстий диаметром 0,01...1 мм, прорезания пазов, изготовления сеток из фольги и т.д.

Установка работает в импульсном режиме = 10^-6... 10^-4 с. Интервал между импульсами необходим для испарения металла. При этом теплота не успевает распространиться на всю заготовку.

ЭЛО можно применять для любых материалов. Производительность мала: Q_G= 20 мм³/ мин - при черновых работах; Q_G= 1 мм³/ мин- на чистовых работах.

При ЭЛО необходимо обеспечивать защиту от рентгеновского излучения, применять глубокий вакуум.

§ 8.5. Лазерная обработка (ло)

Лазер разработан в 1950...1964 гг. Большой вклад в разработку внесли российские ученые нобилевскиее лауреаты Басов, Прохоров, а также американец Таун.

Суть процесса заключается в том, что если фотон попадает на вещество, то его энергия может быть либо поглощена, либо произойдет ее испускание.

В случае поглощения фотона его энергия возбуждает атом вещества. Через некоторое время атом может самопроизвольно (спонтанно) излучить эту энергию. Если же атом возбужден, а на него попадает фотон с энергией, равной энергии его возбуждения, то испускаются уже два фотона.

Физикам удалось создать такие условия, что свет может многократно проходить в специальном веществе (кристалле), выделяя при этом дополнительные фотоны, т.е. усиливая выходную мощность. Разработаны специальные методы накачки лазеров, включая даже использование атомной бомбы.

Рабочий диапазон длин световых волн = 0,3…300 мкм, плотность мощности N= 10¹² Вт/ см².

С помощью лазера выполняют: резку, закалку, наплавку, легирование, сварку, размерную обработку деталей.

При механической обработки используются твердотельные оптические квантовые генераторы (ОКГ), рабочим элементом у которых является рубиновый стержень (окись Al, активированного 0,05% Cr). ОКГ работает в импульсном режиме, генерируя импульсы когерентного монохроматического красного цвета ²⁹.

Во время включения пускового устройства ОКГ разряжается батарея конденсаторов и вспыхивает импульсная лампа. Ее свет фокусируется отражателями на рубиновом стержне. Из-за этого атомы хрома переходят в возбужденное состояние. Возвращаясь в нормальное состояние, они излучают фотоны с длиной волны 0,69мкм. Последние, взаимодействуя с возбужденными атомами, вызывают лавинообразные потоки фотонов в разных направлениях. Зеркальные поверхности рубинового стержня приводят к многократному отражению и усиливанию колебаний вдоль оси стержня. Через 0,5 мкс атомная система в стержне становится неустойчивой и вся запасенная энергия резко освобождается, т.е. кристалл испускает ослепительный яркокрасный луч света.

На рис.8.4 показана схема инструмента для обработки деталей и форма отверстия после лазерной обработки.

Рис.8.4 Режущая головка для лазерной резки (а) и форма отверстия после лазерной обработки:

1- линза;

2- форсунка;

3- деталь.

Расходимость луча не более 0,1. Система оптических линз фокусирует луч на поверхности детали. Энергия импульса Е= 20…100 Дж выделяется в миллионные доли секунды. Диаметр луча 0,01 мм, а в фокусе диаметр составляет несколько мм. Из-за этого материал заготовки в точке мгновенно испаряется.

Для технологических целей применяют и газовые лазеры, работающие как в непрерывном, так и импульсном режимах.

Основные характеристики лазерного излучения: мощность (Вт), длина волны (мкм), длительность импульса (мкс), форма импульса; расходимость пучка.

В процессе ударного сверления импульс света вызывает плавление и частичное испарение металла. Этот пар выбрасывает расплавленный материал. Если не удается пробить отверстие одним импульсом, то применяют множественные импульсы. Диаметры отверстий до 1,3 мм. Отверстия могут делать трепанирующим методом. Тогда диаметр может составлять десятки милиметров. Ширина реза одним лучом 0,3…1 мм. Толщина разрезаемого материала до 10 мм.