14 Дәрiс. Дәрiстiң тақырыбы. Материалдарды электрохимиялық әдiспен өңдеу. Ультра-дыбыспен өңдеу. Сәулемен өңдеу әдiстерi.
Электрохимиялық әдiспен өңдеу. Бұл әдiс анодтық еру құбылысына негiзделген. 31, а, б, в-суретте электролиттi сорғымен тартылып, жүргiзiлген электрохимиялық өңдеудiң принциптiк схемасы көрсетiлген. Жұмыс атқаратын аспап (1) (мыстан немесе тот баспай-тын болаттан жасалады) тоқ көзiнiң (кернеуi 12–24 В, тоқ күшiнiң тығыздығы 20–200 А/см2) терiс полюсiне, ал өңделетiн дайындама (2) оң полюсiне қосылған. Электрод арасындағы 0,1 – 0,5 мм саңылаумен, 8 – 16 атм қысыммен электролит (әдетте хлорлы натрийдiң судағы 15%-дық ерiтiндiсi) жiберiледi. Тұрақты электр тоғының әсерiнен анодтың электрохимиялық еруi басталады, яғни дайындаманың өңделетiн беттерi еридi. Ал ерiген қабатты электролиттiң ағыны жуып кетедi. Металдың еруiне байланысты аспап станоктың механизмi арқылы (берiлiс қозғалысы S мм/мин) орын ауыстырып, электрод аралық саңылаудың мөлшерiн тұрақты күйде сақтап тұрады. Сонымен, аспап дайындамаға қарай орын ауыстырып, онда қажеттi тесiк (қуыс) теседi немесе сыртқы әр түрлi пiшiндi үлгi беттердi өңдейдi.
Айтылып отырған электрохимиялық өңдеу әдiсiнiң мынадай артықшылықтары бар:
өңделетiң материалдардың механикалық қасиеттерiне байланыссыз (материал кетiрудiң” жоғары өнiмдiлiгiн қамтамасыз етедi (мысалы, тесiктердi өңдегенде берiлiс S=5 – 8 мм/мин болады);
мыстан немесе тот баспайтын болаттан жасалған жұмыстық аспап (катод) көп уақытқа дейiн тозбайды;
өңделетiң беттiң сапасы жоғары (структурасы бұзылмай, тазалық класы 7 – 8-ге дейiн барады). Өңдеу дәлдiгi 0,1 – 0,3 мм шамасында болады.
31-сурет. Электрохимиялық өңдеу:
а – электролиттi сорғымен тартып тесiктердi және қуыстарды өңдеу; б-турбинаның қалағының сыртқы үлгi беттерiн өңдеу; в – электр абразивтi ажарлау; г – электро-химиялық “фрезерлеу”; 1 – жұмыс орындайтын аспап – катод; 2 - өңделетiн дайындама; 3 – электролит.
Электрохимиялық әдiстiң бiр түрi – электр абразивтi ажарлау. Ол 31, в-суретте көрсетiлген. Бұл әдiс ажарлайтын дөңгелек (1) (катод) және өңдеу участогына ағын түрiнде жеткiзiлiп тұратын электролиттi (тұздардың судағы ерiндiлерi) қолданумен жүзеге асырылады. Анодтың электрохимиялық еруi әсерiнен пайда болған қабыршақ (4) өңделетiн беттен дөңгелектiң абразивтi түйiршiктерi түрiнде алынып, ажарлау үрдiсi жүзеге асырыла-ды. Электр абразивтi және электр алмасты ажарлауда, әдеттегi ажарлау әдiсiне қарағанда, өнiмдiлiгi жоғары болады, ажарлайтын дөңгелектiң тозуын кемiтедi және өңдеу участогын-дағы температура онша жоғары болмағандықтан өңделетiн беттiң сапасы жоғары болады; ешбiр сызат болмайды, тазалығы 10 – 11 класқа жетедi.
Физика-механикалық қасиеттерi жоғары металдардан жасалған тетiктердi өңдеуде тағы да электрохимиялық “фрезерлеу” әдiсi қолданылады, ол 31, г-суретте көрсетiлген. Керектi пiшiндi (мысалы, бiлiктегi 2 шлицтi ойықты) жасау айналып тұрған пiшiндi диск–катодпен (1) жүзеге асырылады. Өңдеу жүргiзiлетiн участокқа электролиттiң (3) ағыны (тұздардың судағы ерiтiндiсi) жеткiзiледi.
Тетiк (металл) анодтық түрде ерiп, ерiген өнiмдердi айналып тұрған диск алып кетедi. Сөйтiп, өңдеу үрдiсi iске асады.
Ультрадыбыспен өңдеу. Бұл әдiс бойынша өңдегенде өңделетiн материалдарға абразивтi түйiршiктермен механикалық соққылау импульсi арқылы әсер етедi. Ультра-дыбыспен өңдеу схемасы 32–суретте көрсетiлген. Жұмыс iстелетiн участокқа абразивтi ұнтақтың сулы суспензиясы (3) жеткiзiледi. Абразивтi ұнтақ ретiнде кремний карбиды немесе бор карбиды қолданылады (түйiршiктерiнiң мөлшерi № 3-тен бастап № 16-5а дейiн – 30 – 160 мк болады). Аспапқа (1) жиiлiгi 16 – 25 кгц, амплитудасы 2А = 0,04 – 0,12 мм ультрадыбысты бойлық тербелiс берiледi және аспапты белгiлi остi статикалық күш (РСТ) қысып тұрады.
Тербелiс кезiнде аспаптың төменгi шетi абразивтi түйiршiктердi (10) соққылайды. Олар өңделiнетiн беттен материалдың кiшкентай түйiрлерiн (11) қағып шығарады. Мұндай түйiршiктер өте көп болғандықтан және аспап жоғары жиiлiкпен тербелетiндiктен, металл кетiру жылдамдығы, яғни өңдеу өнiмдiлiгi жоғары болады. Оны тәжiрибеде қолдануға мүмкiндiк туады.
Егер аспап өзiнiң астыңғы шетiнiң тербелiп тұрған бағыты бойынша орын ауыстырса, жұмыс участогынан дисперсияланған материал шығарылып отырылса, онда бұйымда аспаптың көлденең қимасына сәйкес қуыс пайда болады. Осы әдiспен дөңгелек және басқа пiшiндi тесiктердi сыртқа шықпайтын және шығатын тесiктердi түзу және қисық сызықты тесiктердi, ойықтар мен саңылауларды, үлгi қуыстарды өңдеуге болады (32, б-сурет).
Ультрадыбыспен өңдеу үрдiсiн жүзеге асыру үшiн керектi тербелiстер жұмыс атқаратын аспапқа акустикалық бүршiк арқылы берiледi. Бұл ультрадыбысты станогының ең басты түйiнi болып саналады.
Электрондық генератордан (8) жиiлiгi f=16 – 25 кгц электр тербелiстерi пакеттiң (6) (никель платинкаларынан, кобальттық қорытпалардан немесе басқа магнитострикциялық материалдардан жасалған) орамасына енгiзiледi, мұнда магнитострикциялық эффектiң негiзiнде олар пакет шетiнiң серпiмдi тербелiсiне айналады. Магнитострикциялық эффект стержень өлшемiнiң өзгеруiне негiзделген, соның айналасында пайда болған магнит өрiсi-нiң кернеулiгiнiң өзгерiсiне сәйкес.
Магнитострикциялық пакетке (6) (дiрiлдеткiшке) (65Г, 40Х маркалы немесе басқа болат-тардан жасалған) өтпе стержень (4) дәнекерленедi, оның шетiне жұмыс атқаратын аспап бекiтiледi. Стерженьнiң ең маңызды мiндетi – пакетпен дәнекерленген өзiнiң жоғарғы шетiнiң тербелiс амплитудасы (бiрнеше микрон) аспаппен жалғастырылған төменгi шетiнде жұмыс атқаратын амплитудаға дейiн (0,12 мм-ге дейiн) өсiру. Бұл стерженьге керектi пiшiн берудi қамтамасыз етедi.
Магнитострикциялық пакет ағын сумен (5) салқындатылады.
Өңделетiн дайындамаға (2) жұмыс атқаратын аспаптың қысымын беру үшiн және аспаптың вертикаль берiлiсiн жүзеге асыру үшiн (оның өңделетiн материалға тереңдеуiне қарай) әр түрлi механизмдер қолданылады, солардың iшiндегi қарсы салмағы бар (9) жүйе ең қарапайым жүйе болып есептеледi. Қазiргi уақытта ультрадыбыстық станоктардың өнiмдiлiгi (шыныны өңдегенде) 5000 мм3/мин-қа жетедi.
Ультрабыбыспен өңдеу бет қабатының сапасының жоғары болуын (структурасы ешбiр дефектсiз) және iшкi кернеуiн болдырмауға, өңделетiн беттiң тазалығын 8 – 9 класқа дейiн жеткiзуге мүмкiндiк бередi. Бұл электроэрозиялық әдiспен өңдеуге қарағанда үлкен артықшылығы болып саналады.
Ультрадыбыстық әдiстiң тағы мынадай артықшылығы бар: ол тек электр өткiзгiш матер-иалдары (металдар және олардың қорытпалары) ғана емес сонымен қатар, диэлектриктердi өңдеуге мүмкiндiк бередi. Бұл әдiспен өте қатты және морт материалдарды өңдеуге болады. Сондықтан ультрадыбыстық әдiс қазiргi уақытта шыныдан, кварцтан, минерал-керамика-дан, шала өткiзгiштiк материалдардан (германий, кремний), ферриттерден, асыл және жартылай асыл тастардан (алмасқа дейiн) жасалған бұйымдарды өңдеуде кеңiнен қолданы-лады.
32-сурет. Ультрадыбыспен өңдеу:
а – ультрадыбыспен өңдеу схемасы; 1 – жұмысты орындайтын аспап, 2 - өңделетiн тетiк, 3 – абразив суспензияны жеткiзу, 4–шоғырлағыш (амплитуда трансформаторы), 5 – салқындатқыш суды жеткiзу, 6 – магнитострикциялық түрлендiргiш (дiрiлдеткiш), 7 – дiрiлдеткiштiң орамасы, 8 – ультрадыбыстық генератор, 9 – қарсы салмақты жүк, 10 – абразивтi түйiршiк, 11 - өңделетiн дайындаманың материалынан қағылып шыққан тетiк. б – ультрадыбыспен өңдеудiң мысалдары; I – кесу, II – үлгi тесiктердi және қуыстарды өңдеу, III – осi қисық сызықты тесiктердi өңдеу.
Сәулемен өңдеу әдістері. Электронды-сәулелік өңдеу жылдамдатылған электрондардың фокусқа жинақталған шоғының (сәуленің) энергиясын пайдалануға негізделген.
33-суретте электронды-сәулелік өңдеу қондырғысының схемасы көрсетілген. Қондырғының ең басты түйіндері – электрондық зеңбірек (П) және жұмыс камерасы (К). Оның ішіне өңделетін дайындама (7) орнатылады.
Электрондық зеңбiректiң жұмысын қарастырып көрейiк. Қыздырылған катод (1) эмиссия нәтижесiнде электрондардың ағынын тудырады, ол электростатикалық жүйе (2) және элек-тромагниттiк катушкалар (4) арқылы электрондар шоғына айналады. Катод (1) пен анодтың (3) арасындағы потенциалдар айырмасының (150 кв-қа дейiн) көмегiмен электрондардың жылдамдығы ондаған, тiптi жүздеген км/сек-ке дейiн жеткiзiледi. Электромагниттiк катушка – линзалар (5) арқылы электрондық шоқ дайындаманың (7) өңделетiн бетiне фокусқа келтiрiледi. Фокусқа келтiрiлген шоқтың диаметрi миллиметрден бастап бiрнеше микронға дейiн кiшiрейтiледi. Жоғары жылдамдықты электрондар өңделетiн тетiкпен кездескенде үлкен кедергiге ұшырайды. Олардың кинетикалық энергиясы жылуға айнала-ды. Сонымен, фокусқа келтiрiлген сәуленiң энергия тығыздығы және оның түскен жерiнде температурасы жоғары шамаға жетедi (5×108 вт/см2 және 6000º С-дан да асады), сол жерде ең баяу балқитын материалдарды балқытып қана қоймай, тiптi буландырып та жiбередi. Электронды-сәулелiк түтiктiң ауытқу жүйесiнiң принципi бойынша жұмыс iстейтiн элек-тромагниттiк катушкалар (6) арқылы фокусқа келтiрiлген шоқты дайындаманың (7) бетiнде жүргiзуге болады. Осылайша өңдеу үрдiсi жүзеге асырылады. Электрондық шоқты керектi пiшiнмен жүргiзу жұмысын бағдарламалауға болады, оны арнаулы жабдық атқарады.
Электрондық зеңбiректе және жұмыс iстелiнетiн камерада 133,322×10-4 – 133,322×10-6 н/м2 (10-4 – 10-6 мм сынап бағанасы) қысымдық вакуум жасалады. Сөйтiп, басқа жылу көз-дерiмен салыстырғанда (лазерден басқа) өңдеу участогында энергияның өте үлкен тығыздығы туғызылады. Бұл энергияның мөлшерiн өзгертуге және фокусқа келтiрiп, оны керектi жермен үлкен дәлдiкпен жүргiзуге мүмкiндiк бередi. Электронды сәулелiк өңдеу өте нәтижелi технологиялық әдiс болып есептеледi.
Электронды-сәулелiк әдiс өлшемдердi өңдеу (жоғары сапалы қорытпалардан жасалған тетiктердiң кiшкентай тесiктерiн, саңылауларын т.б. өңдеу әдiсi ретiнде кең түрде қолданылады.
33-сурет. Электронды-сәулелiк өңдеудiң принциптiк схемасы:
П – электрондық зеңбiрек, К – жұмысты орындайтын вакуум камерасы; 1 – катод, 2 – электростатикалық фокусқа келтiретiн жүйе, 3 – анод, 4 – электромагниттiк катушка (линза), 5 – басқарушы электромагниттiк катушкалар, 6 - өңделетiн тетiк.
Жарық сәулемен өңдеу совет ғалымдары Н.С. Басов және А.М. Прохоровтың еңбектер-iнiң негiзiнде жетiлдiрiлген. Бұл өңдеу күштi жарық сәулесiн қолдануға негiзделген, ол қуатты сәуле оптикалық жүйе арқылы өңделетiн бетке, фокусқа келтiрiледi, соның нәтижесiнде сол жерде бiрнеше мың градусқа жеткен температура пайда болады.
34-суретте лағыл тас (рубин) – лазер негiзiнде жұмыс iстейтiн оптикалық квант генератор-ының принциптiк схемасы көрсетiлген. Мұндағы лағыл тас – лазер – қуатты жарық сәулесi-нiң көзi. Лазер деген мына сөздердiң бас әрiптерiнен құралған: light amnlitikation by stimulated emission of radiation, яғни стимул арқылы шыққан сәуленi күшейту. Лағыл тас – корундтың (Аl2О3) магнитсiз кристалы, оның iшiнде хромның 0,05 – 0,1% парамагниттiк иондары бар. Лағыл тастан жасалған стерженьнiң (3) (ұзындығы 50 – 150 мм, диаметрi 5 – 50 мм) айналасына спиральдi (не болмаса басқа түрлi) ксеон лампы (1) орнатылған, конденсатор (7) разрядталғанда ол периодты түрде оталып тұрады. лағыл тас стерженiнiң екi шетi жылтыратылған және күмiстелген. Оның бiр шетiн (А) күңгiрт (толық iшкi шағылысу арқылы), екiншi шетiн (Б) жартылай күңгiрт етедi. Лампының оталу жарығы цилиндрдiң iшкi шағылыстырылатын бетi арқылы лағыл тас стерженьге фокустеледi. Лампының интенсивтiк оталуы кезiнде лағыл тасқа жарық түсiп, хромның атомдары қосымша энергия алып жоғары дәрежелi болады. Сонан кейiн кристалдың жартылай күңгiрт шетiнен қуатты қызыл сәулелер шығады. Шыққан жарықтың шоғы оптикалық линза (4) арқылы өңделетiн дайындаманың бетiне фокусқа келтiрiледi. Шоқтың түскен жерiндегi дақтың диаметрi 0,01 мм. Энергия импульсiнiң ұзақтығы бiр секундтың миллион-дық үлесiне тең, қуаттылығы 10 – 50 джоуль, өңделетiн тетiктiң кiшкентай бетiне түскенде сол жерде пайда болған өте жоғары температураның салдарынан шоқ түскен жердегi материал балқып қана қоймай, тiптi буланып кетедi. Осы себептен жарық сәуленi кiшкентай тесiктердi, саңылауларды өңдеуде, сондай-ақ қандай да болмасын физика-механикалық қасиеттерi бар материалдардан жасалған тетiктердi кесуде қолданылады. Мысалы, өлшемi 6 мм болатын алмас кристалымен диаметрi 0,5 мм-лiк тесiктi бiрнеше секундта тесiп шығарады.
34-сурет. Лағыл тастың (рубиннiң) негiзiнде жұмыс iстейтiн квантты оптикалық генератордың (лазердiң) схемасы: