Лекція №6 Променеві методи обробки

Відносять:

1. лазерна обробка

2. електронно – променева обробка

3. плазмова обробка

Під променевими методами обробки розуміють процес розмірного видалення матеріалу плавленням і випаровуванням матеріалу із зони обробки під дією енергії променевих потоків або високо енергетичних струменів.

Лазерна обробка

Лазерна обробка – це процес розмірного видалення матеріалу плавленням і випаровуванням за рахунок перетворення енергії світлового випромінювання в теплову.

В основному розрізняють 4 типи лазерів:

1- твердотілі лазери

2- газові

3- напівпровідникові

4- рідинні лазери

1. Твердотілі лазери – використання активним середовищем кристалів рубіну (штучні) або скла з добавками кристали алюмоітрієвого гранату (АІГ); ККД цих твердоті лих лазерів η - 0,1-0,5%. Лазери , які мають скло знеодимом ККД 4-7%..

2. Газові лазери. Робоче середовище – суміш газів. Найпоширенійші лазери.

3. Напівпровідникові лазери. Робочий елемент (джерелом світового випромінювання) являється арсенід галію, кремнію з добавкою ітрія.

4. Рідинні лазери. Активне середовище- розчини неорганічних зєднань рідко земельних елементів, або органічних фарбників. Мають невелику потужність і використовуються в умовах дослідного виробництва.

Всі лазери генерують випромінювання в діапазоні 0,3-10 мкм в оптичному діапазоні.

Схема оптичного квантового генератора (ОКГ) з твердотілим елементом

1- активний елемент

(рубіновий або інший стержень)

2,3- дзеркала

4- лампа спалах

5- батарея конденсаторів

6- оброблювана деталь

7- лінза

Рисунок 25 – Схема оптичного квантового генератора

С хема газового лазера

Рисунок 26 – Схема газового лазера

1 - газо розрізна трубка; 2- система охолодження; 3 - дзеркала;

4 – електроди.

Суть процесу лазерного випромінювання заключається в тому, що атоми і молекули речовини можуть знаходитися на різних енергетичних рівнях (на нижньому або на верхньому). Під дією електричного розряду виникає спалах світла в лампі. При випромінюванні цього світла активний елемент атоми збуджуються і з нижнього енергетичного рівня переходять на верхній енергетичний рівень. При цьому віддають енергію у вигляді фотону – це елемент нейтральна частинка з нульовою масою. Фотон – це квант електро – магнітного випромінювання.

Коли лампа спалах не працює, атоми і молекули речовини віддають цей квант енергії робочому тілу. Атоми і молекули за допомогою резонаторів одержують високу швидкість і велику енергію, і при достатній енергії вони прориваються через прозоре дзеркало і проходячи через лінзу, концентрують цю енергію на невеликій площині оброблюваної деталі. На цій ділянці деталі енергія світлового випромінювання переходить в теплову і йде процес розмірної обробки.

Опромінювання робочого тіла (активний елемент) світлом потужної газорозрядної лампи називається накачкою.

Технологічні характеристики лазерної обробки

Технологічними характеристиками являються:

• енергія імпульсу;

• частота імпульсу;

• тривалість дії імпульсу;

• фокусна відстань.

Щільність енергії, що виникає в зоні обробки:

де E – енергія імпульса;

D – діаметр фокальної плями.

Щільність енергії в зоні дії фокальної плями може становити до 10¹² Вт/м².

Енергія імпульсу приймається в залежності конструкції лазерної установки. Тривалість імпульсу в зоні обробки складає тисячні долі секунди.

Із збільшенням тривалості імпульсу збільшується продуктивність обробка, але і збільшується конусність отвору, який утворюється лазерним опроміненням. Велике значення при лазерній обробці має фокусна відстань, тому що від зміни фокусної відстані залежить щільність енергії.

На розмірні характеристики впливають: кількість імпульсів, при чому із їх збільшенням збільшується глибина отвору. Якщо необхідно одержати більш точний отвір по глибині і діаметру, то необхідно вести багато імпульсну обробку невеликої енергії і тривалості. Що стосується якості поверхні, яку можна одержати при лазерній обробці, то вона залежить від слідуючих факторів:

, мкм

де С – коефіцієнт, який залежить від оброблюваності матеріалу

Е – енергія імпульсу

τ – тривалість імпульса

n – кількість імпульсів

Показники визначаються експериментально в залежності від матеріалу, який обробляється. Оброблюваність матеріалів при лазерній обробці не однакова і залежить від різних властивостей матеріалу, теплофізичних властивостей, температури плавлення, і температури випаровування.

Типові операції лазерної обробки:

До основних типів операцій відносяться:

- обробка отворів ( до 0,8 мм )

- обробка щілин і пазів отворів

- нарізання пазів і щілин

- розрізання

- зміцнення матеріалів

- зварювання матеріалів

- маркірування матеріалів

- інші види лазерної обробки

Обробка отворів

Обробка отворів була найпершою операцією в промисловості. Основними параметрами які впливають на розмір отворів, глибину їх, являється:

• енергія імпульсу

• тривалість імпульсу

• кількість імпульсу

• фокусна відстань

Із збільшенням енергії імпульсу збільшується діаметр отвору і його глибина. Збільшення фокусної відстані при заданій енергії приводить до зниження щільності енергії, що визиває зменшення глибини отвору. Тривалість імпульсу приводить до зміни щільності потужності випромінювання, що в кінцевому результаті приводить до зміни характеру кінцевого руйнування поверхні. При коротких імпульсах великої щільності збільшується кількість матеріалу який випаровався, а при дії довгих імпульсів переважають продукти викиду у вигляді розплавленого матеріалу. Значний вплив на форму і розміри має кількість імпульсів. При їх збільшенні в зону обробки подається більша кількість енергії, і при цьому збільшується як діаметр отвору, так і його глибина.

Вплив кількості імпульсів на глибину отворів має такий вигляд:

1. E = 4 Дж

2. E = 2,75 Дж

Рисунок 27 – Вплив кількості імпульсів на глибину отворів

Е нергія імпульсів впливає на шорсткість поверхні. Ця залежність має наступний вигляд:

τ = 8,2 мм

F = 1,5 мс

Рисунок 28 – Графік впливу енергії імпульсів на глибину отворів

1 – титан; 2 – нержавіюча сталь

Від тривалості імпульсу: графік впливу тривалості на шорсткість поверхні має вигляд:

а) б)

Рисунок 29 – Графіки залежностей шорсткості поверхні від тривалості імпульсу (а), та вмісту вуглецю (б)

Шорсткість поверхні залежить не тільки від режиму обробки, а і від вмісту вуглецю – чим більший вміст вуглецю, тим шорсткість поверхні зменшується.

Продуктивність процесу обробки отворів можна визначити:

де n – кількість імпульсів

E – енергія імпульсу

f – частота подачі імпульсу

Le – питома енергія руйнування даного матеріалу

Для обробки різних матеріалів Le має різні значення:

Таблиця 9 – Значення питомої енергії руйнування для різних матеріалів

Матеріал	Т30К4	ВК6	ВК20	Fe	Ti	Al	Mo	Cu
Le	270	160	140	100	45	20	138	70

Приклади використання процесу обробки отворів

1. Обробка отворів в трубчатих і листових заготовках (обробка отворів в системі протипожежної безпеки літака). Матеріал в якому обробляються отвори нержавіюча сталь, їх важко обробити, діаметр отворів 0,8 мм, товщина стінок між отворами 1 мм; якщо обробляти отвори свердлінням, то на кожний отвір піде до 10 секунд. Тривалість обробки отворів лазерною обробкою – десяті долі секунди.

2. Обробка отворів в годинниковому камінні, а також в алмазних волоках – необхідно створити отвори діаметром 50-60 мкм, причому свердління отворів до 15 хв при частоті 35000 об\хв. Якщо використовувати твердотілий лазер, то тривалість обробки одного отвору 1 секунда, точність їх прошивання ±5 мкм. Ще більшу продуктивність можна одержати

п ри обробці отворів в алмазних волоках.

Лазерна технологія дозволяє підвищити

продуктивність обробки волок в 100 разів.

3. Обробка отворів в кріпильних деталях – це в основному спеціальні корончаті гайки. Трудомісткість обробки отворів лазерним випромінюванням збільшує продуктивність обробробки в порівнянні з свердлінням в 4-5 разів.

4. Обробка отворів в деталях паливної апаратури (в основному дизельні двигуни). Діаметр отворів 0,25-0,35 мм з допуском ±0,1 мм. Матеріал – леговані сталі, що дуже важко піддаються обробці. Лазерна обробка дає можливість обробити до 8 отворів за 0,7 сек, а при свердлінні 15 отворів за годину.

5. Обробка газовідвідних отворів в пресформах. Діаметр отворів 0,8-0,9 мм.

6. обробка отворів в керамічних матеріалах (це золоті і платинові фільєри, які потім замінили на керамічні матеріали). Отвори діаметром 40-50 мкм. Щільність отворів збільшилась на одиницю площі, знизилась вартість фільєр при лазерній технології.

7. Обробка отворів в деталях із пластмас. Для обробці таких отворів, а також отворів у композиційних матеріалах лазерами СО2 дає можливість підвищувати продуктивність обробки. Лазерна обробка використовується для свердління дренажних труб.