§ 71. Ультразвуковой метод обработки

Ультразвуковым называют метод обработки, при котором обра­батываемая зона находится под воздействием упругих механиче­ских колебаний с частотами свыше 16...20 кГц (ультразвуковыми). При этом на заготовку воздействуют удары взвешенных в жидкости (воде, масле) зерен абразива, получающих большие скорости от вибратора, который колеблется с ультразвуковой частотой. Жид­кость под давлением ультразвуковых колебаний вследствие явления кавитации разрушает материал, на который она попадает. Это раз­рушение интенсифицируется действием содержащегося в жидкости абразива, зерна которого проникают в зазор между торцом инстру­мента и деталью и отделяют микроскопические частицы от матери­ала заготовки. Получаемые с помощью ультразвукового генератора электрические колебания магнитострикционным вибратором пре­образуются в механические. Магнитострикционный эффект заклю­чается в свойстве ферромагнитных материалов изменять размер при изменении действующего на них магнитного поля.

На рис. VI.95 показана схема ультразвукового станка. Из ультра­звукового генератора, питающегося от сети переменного тока обыч­ной частоты, ток ультразвуковой частоты подается в обмотку магни- тострикционного вибратора 4, в котором электромагнитные коле­

бания преобразуются в меха­нические. С помощью кон­центратора 3, один конец ко­торого связан с вибратором, а другой — с инструментом, возникшие колебания усили­ваются и амплитуда их может достигать 0,1...0,12 мм. Из бака 8 с помощью насоса 7 в зону обработки подается жидкость с абразивным по­рошком. Ползун 5, уравнове­шенный контргрузом, переме­щается по направляющим ста­нины 6 и прижимает инстру­мент 2 к заготовке У. Эта сила должна быть небольшой, чтобы колебания инструмента не затухли. Так как подача инструмента осуществляется в направлении колебания его торца, этим методом может быть обработана полость любого профи­ля. В зависимости от твердости и прочности обрабатываемого мате­риала может быть использован различный абразив: электрокорунд, карборунд, карбид бора, алмаз. Ультразвуковой обработкой дости­гается шероховатость #_й0,8...0,1 без нарушения свойств поверхно­стного слоя. Большим достоинством этого метода является то, что с его помощью можно обрабатывать не только металлические мате­риалы (проводники), но и диэлектрики. Его используют для обра­ботки труднообрабатываемых сплавов и изделий из стекла, кварца, германия, кремния, ферритов, минералокерамики, рубина, ал­маза и др.

Рис. VI.95. Схема ультразвукового станка

§ 72. Лучевые методы обработки

1. Электронно-лучевая обработка основана на том, что элек­троны, излучаемые катодом в глубоком вакууме вследствие термо­электронной эмиссии, ускоряются в мощном электрическом поле и фокусируются в узкий пучок, направленный на обрабатываемую заготовку — анод. При этом кинетическая энергия преобразуется в тепловую. Эффективность действия электронного пучка повышает­ся фокусировкой его на очень малых площадях (до 10^-7 см²), благо­даря чему образуется электронный луч. Попадая на обрабатываемую поверхность, такой луч мгновенно нагревает ее до температуры около 6000 °С, вследствие чего даже самый тугоплавкий металл здесь будет не только плавиться, но и испаряться. Электронно-лу- чевая обработка ведется на установке с электронной пушкой 6 (рис. VT.96,a), обеспечивающей фокусирование электронного луча. Важнейшими ее элементами являются генератор высокого напряже­ния 11, генератор напряжения накала и напряжения возбуждения (задающего напряжения) 10, импульсный генератор 8, импульсный трансформатор 9 и вольфрамовый электрод 7. Принцип работы

Рис. VI.96. Принципиальные схемы установок для лучевой обработки:

а — электроннолучевой; б — лазерной

электронной пушки следующий. Поток электронов, создаваемый эмиссией разогретого катода 7, преобразуемый в узкий пучок, бла­годаря большой разности потенциалов между катодом и анодом ускоряется до сотен км/с и фокусируется в узком конусе, вершина которого находится на заготовке 13. Для этого используют откло­няющие устройства и линзы, управляющие размером и траекторией электронного луча, регулируемые специальной контрольной систе­мой. В нее входят электростатическая система 12, электромагнит­ные катушки 5, с помощью которых осуществляется магнитная юсти­ровка, корректор изображения 4, магнитные линзы 3, контрольный контур 2 и др. Заготовка 13 устанавливается на столе 1, пользуясь которым ее можно устанавливать в нужном положении и перемещать. С помощью управляющих электромагнитных катушек и контрольно­го контура 2 (профилирующее управление) электронный луч может отклоняться по поверхности заготовки 13. Таким путем можно осу­ществить обработку заготовки необходимого профиля, и такая об­работка может быть запрограммирована в управляющем устройстве.

Электронно-лучевым методом получают отверстия, пазы малых размеров (от 0,005 мм и ниже) в труднообрабатываемых сплавах.

2. Обработка световым лучом. Этот метод обработки базируется на работах Н. Г. Басова и А. М. Прохорова. Он основан на том, что мощный световой луч, проходя через специальное оптическое уст­ройство, фокусируется на обрабатываемой поверхности заготовки на площади диаметром до 0,01 мм. Поэтому в зоне его действия воз­никают температуры порядка нескольких тысяч градусов и высокие давления. Концентрация энергии может быть порядка 10⁵ кВт/см², поэтому происходит мгновенное расплавление и испарение металла. В качестве источника энергии используются квантовые генераторы света или лазеры, чаще всего кристаллические рубиновые (рис. VI. 96,(5).

Основой лазера служит стержень синтетического рубина 4, помещенный внутрь наполненной ксеноном спиральной лампы (лам­

пы подкачки) 5. Лампа питается от батареи конденсаторов 8 и при разрядке их периодически вспыхивает. Стержень заключен внутри стеклянной трубки 3, через которую непрерывно прокачивается охлаждающая среда от входа 1 к выходу 7 и фиксируется пружи­ной 2. Рубиновый стержень — это кристалл А1₃0₃ с примесью окиси хрома Сг₂0₃. Плоские параллельные торцы его тщательно отполи­рованы. Один из них покрыт слоем серебра, а второй также посе­ребрен, но полупрозрачен. При интенсивной вспышке лампы 5 рубин освещается и атомы хрома, поглощая световой квант, переходят из нормального в возбужденное состояние вследствие так называемой оптической подкачки. В момент, когда больше половины атомов хрома переходит в возбужденное состояние, равновесие становится неустойчивым, в кристалле освобождается накопленная энергия, атомы возвращаются в нормальное состояние и кристалл излучает фотоны. Мощный поток их прорывается сквозь полупрозрачный передний торец, образуя мощные излучения в виде пучка ослепи­тельно ярко-красного света 6. С помощью специальной оптической линзы (на рис. VI.96,б не показана) этот пучок излучения фокуси­руется на площади диаметром до 0,01 мм.

С помощью лазеров можно вести обработку отверстий малого размера, пазов в заготовках из различных материалов, независимо от их физико-механических свойств (твердые сплавы, алмазы). Све­толучевая обработка обладает рядом достоинств по сравнению с электронно-лучевой и поэтому более перспективна.