Добавил:
ivanov666
Опубликованный материал нарушает ваши авторские права? Сообщите нам.
Вуз:
Предмет:
Файл:Технология конструкционных материалов. В 2 частях. Ч.2. Учебное пособие
.pdf
Жидкость под давлением ультразвуковых колебаний вследствие
явления кавитации разрушает материал, на который она попадаёт. Это
разрушение увеличивается действием содержащегося в жидкости абразива, зёрна которого проникают в зазор между торцом инструмента
и заготовкой и отделяют от неё микроскопические частицы материала
обрабатываемой зоны заготовки.
Ультразвуковая обработка осуществляется колеблющимся
с большой ультразвуковой частотой
инструментом, поперечное сечение
которого соответствует форме обрабатываемой детали. Например,
ультразвуковые колебания частотой от 16 до 25 тысяч герц получаются от акустической головки (рис. 3.6). В акустической головке электрические колебания преобразуются в звуковые, вследствие магнитострикционного эффекта, заключающегося в том, что с изменением
напряженности магнитного поля некоторые материалы (никель, кобальтовый сплав)
изменяют свои размеры.
Рис. 3.6. Схема обработки ультразвуковым методом:
1 – сопло; 2 – пакет (вибратор); 3 – обмотка;
4 – корпус; 5 – инструмент; 6 – заготовка
Изготовленные из магнитострикционного материала пакет 2,
находящийся в корпусе 4, под действием электрических колебаний,
подаваемых в окружающую его обмотку 3 и создающих магнитное
поле, получает упругие колебания с ультразвуковой частотой. К торцу пакета (вибратора) припаивается переходной стержень, на конце
101
которого устанавливается рабочий инструмент 5, изготовленный из
конструкционной углеродистой стали. В корпус головки подаётся вода для охлаждения. Ультразвуковые колебания обладают большой
удельной мощностью.
Для обработки отверстий инструмент получает ультразвуковые
колебания. В зону обработки (зазор между торцом инструмента и заготовкой 6) соплом 1 подаётся жидкость (вода или масло) со взве
-
шенным в ней частичками карбида кремния или карбида бора зернистостью № от 3 до 16. Под действием ультразвуковых колебаний
абразивные зёрна ударяют по поверхности заготовки и скалывают
с нее мелкие частички, которые удаляются струей жидкости. Кавитационные явления в жидкости способствуют интенсивному перемешиванию абразивных зёрен под инструментом, замене изношенных зерен новыми и разрушению материала заготовки в зоне обработки.
В зависимости от прочности и твёрдости материала обрабатываемой заготовки в качестве абразива используют электрокорунд,
карборунд, карбид бора, алмаз. Ультразвуковой обработкой достигается шероховатость поверхности Ra = (0,63…0,16), в зависимости
от зернистости абразива без изменения свойств поверхностного слоя
материала обрабатываемой заготовки.
Ультразвуковой метод применяют для
изготовления сквозных
и глухих отверстий любой формы поперечного сечения, получения
фасонных полостей, разрезки заготовки на части, прошивки отверстия
с криволинейными осями, разрезания, долбления. Этим методом обрабатывают хрупкие твёрдые материалы: стекло, керамику, ферриты,
кремний, кварц, драгоценные минералы (алмазы, рубины), твёрдые
сплавы, титановые сплавы, вольфрам, закалённую сталь. Скорость
обработки ультразвуком для
твёрдых сплавов составляет от 0,3
до 0,5 мм/мин, закалённой стали от 0,05 до 0,1 мм/мин, стекла и кварца от 2 до 15 мм/мин.
Лучевые методы обработки основаны на использовании энер-
гии направленного пучка ускоренных электронов (электроннолучевая обработка) или мощного светового луча (светолучевая обработка). Они используются для обработки как металлических, так
и неметаллических материалов с любыми физико-механическими
свойствами и позволяют получать очень малые отверстия, пазы и щели, вырезать детали любой конфигурации.
Электроннолучевая обработка основана на превращении ки-
нетической энергии направленного пучка электронов в тепловую.
Электроны, излучаемые катодом-инструментом в глубоком вакууме
102
вследствие термоэлектронной эмиссии, ускоряются в мощном электрическом поле и фокусируются в узкий пучок, направленный на обрабатываемую заготовку-анод. Поток электронов фокусируют в луч,
который попадая на обрабатываемую поверхность, мгновенно нагревает её до температуры ~ 6000
ºС, вследствие чего даже самый тугоплавкий материал будет не только расплавляться, но и испаряться.
Установка для
электроннолучевой обработки состоит из элек-
тронно-лучевой трубки (электронная пушка), которая обеспечивает
фокусирование электронного луча, и рабочей камеры, где создается
вакуум и куда помещается обрабатываемая заготовка (рис. 3.7).
+U
–U
В
В
l
l
1
2
3
4
5
Рис. 3.7. Схема электроннолучевой обработки:
1 – катод; 2 – фокусирующий наконечник; 3 – анод;
4 – электромагнитная катушка; 5 – обрабатываемое изделие
Электронная пушка является источником электронного луча,
сфокусированного пучка электронов. Разогретый катод 1 благодаря
эмиссии создает поток электронов. Вследствие разности потенциалов
между катодом и анодом 3 пучок электронов приобретает скорость
до десятков и сотен километров в секунду и фокусирующим наконечником 2 и электромагнитной катушкой 4 формируется в узкий луч
диаметром от миллиметра
изделие 5 он тормозится. В результате кинетическая энергия движущегося пучка электронов превращается в тепловую энергию. Поскольку электронный луч обладает большой концентрацией энергии,
в точке соприкосновения его с заготовкой выделяется значительное
до нескольких микрон. При попадании на
103
количество тепла (температура повышается до 6000 ºС), что приводит
к плавлению и даже испарению любых материалов.
Электроннолучевая обработка применяется для изготовления
отверстий и пазов (размер получаемых отверстий и пазов составляет
0,005 мм), тонких сеток и плёнок из фольги. Данному виду обработки
подвергаются все труднообрабатываемые материалы.
Светолучевая (лазерная) обработка основана на тепловом
воздействии светового луча высокой энергии на поверхность обрабатываемой заготовки. Световой луч, проходя через специальное оптическое устройство, фокусируется на обрабатываемой поверхности на
площади диаметром до 0,01 мм. Поэтому в зоне его действия возникают температуры в несколько тысяч градусов и высокое давление.
Концентрация энергии может быть порядка 10
5
КВт/см2, поэтому
происходит мгновенное расплавление и испарение материала заготовки.
Световой луч излучается оптическим квантовым генератором
света (лазером) чаще кристаллическим рубиновым (рис. 3.8). Основа
лазера – стержень из синтетического рубина 4 (кристалл Al
месью окиси хрома Cr
). Он помещен внутрь спиральной лампы
2O3
(лампы подкачки) 5, заполненной ксеноном.
Рис. 3.8. Принципиальная схема установки для лазерной обработки:
1 – вход; 2 – пружина; 3 – стеклянная трубка; 4 – рубиновый стержень;
5 – спиральная лампа; 6 – пучок фотонов; 7 – выход; 8 – конденсатор
2O3
с при-
Лампа питается от батареи конденсаторов 8 и при разрядке их
периодически вспыхивает. Стержень заключен внутрь стеклянной
трубки 3, через которую непрерывно прокачивается охлаждающая
среда от входа 1 до выхода 7, и фиксируется пружиной 2. Плоские
104
торцы стержня отполированы и покрыты: один – серебром, второй
посеребрен, но прозрачен. При интенсивной вспышке лампы 5 рубин
освещается и атомы хрома, поглощая световой квант, переходят в возбужденное состояние. В момент, когда больше половины атомов хрома перейдут в возбужденное состояние, в кристалле освобождается
накопленная энергия, атомы возвращаются в нормальное состояние
,
а кристалл излучает фотоны.
Поток прорывается сквозь прозрачный передний торец в виде
пучка ослепительно ярко-красного цвета 6. С помощью линзы он фокусируется на площади диаметром до 0,01 мм. Обладая большой
энергией, сконцентрированной на малой площади, световой луч создает температуру до нескольких тысяч градусов. Материал плавится
и частично испаряется.
Обработка ведётся на воздухе и продолжается
доли секунды.
Лазерную обработку применяют для прошивания отверстий
(глухих и сквозных); резки заготовок на части; прорезания пазов;
обработки сложнофасонных изделий из любых материалов, включая
самые твердые и прочные.
3.3. ЭЛЕКТРОХИМИЧЕСКИЕ МЕТОДЫ ОБРАБОТКИ МАТЕРИАЛОВ
Электрохимическая обработка осуществляется в основном за
счёт анодного растворения. Электрод, являющийся рабочим инструментом, подключен к отрицательному полюсу источника электрического тока. Электрод выполнен из нержавеющей стали или меди.
К заготовке подводится положительный полюс источника тока.
Между электродами подаётся электролит (водный раствор хлористого натрия). Под действием электрического тока в результате
возникающих химических реакций анод будет растворяться. Продукты растворения уносятся электролитом. По мере обработки инструмент должен сохранять определенный зазор Δ. Обработка ведётся при
напряжении от 12 до 24 В и плотности тока до 200 А на см
2
.
При изготовлении отверстий подача инструмента достигает
(5…8) мм/мин. Обеспечивается точность обработки до десятых долей
миллиметра и шероховатость поверхности Ra от 1,25 до 0,32 мкм.
При полировании плоских поверхностей деталей инструмент (катод)
имеет также плоскую поверхность. В результате электрохимических
процессов выступающие на поверхности неровности растворяются
и поверхность приобретает нужную чистоту.
105
Анодно-механическая обработка основана на использовании
комбинированного процесса – анодного растворения и эрозии поверхностного слоя заготовки, происходящие при одновременном действии электромеханического и электроискрового процессов в среде
электролита, которым служит водный раствор жидкого стекла. При
пропускании через электролит постоянного электрического тока на
аноде-заготовке образуются плёнки распада металлов. Оплавление и
расплавление материала заготовки
происходит за счёт возникновения
в зазоре между анодом и катодом кратковременного дугового разряда,
а удаление материала происходит механически движущимся инструментом. Движение подачи может сообщаться заготовке или инструменту.
Анодно-механическое отрезание выполняется вращающимся
металлическим диском 1 (инструмент-катод), подсоединенным к отрицательному полюсу генератора постоянного электрического тока
(рис. 3.9). Заготовка
2 является анодом. Инструмент изготавливается
из стали, меди, чугуна. Скорость его вращения составляет до (15…30) м/с.
В зону обработки подаётся электролит – водный раствор жидкого
стекла.
А
1
2
Рис. 3.9. Схема анодно-механического отрезания:
1 – металлический диск (катод); 2 – заготовка (анод)
Чаще всего процесс ведётся при напряжении от 20 до 24 В
2
и плотности тока 100 А/см
106
. при этом съём металла достигает
V
6 000 мм3/мин. В местах неровностей поверхностей электродов возникают микроскопические дуги, вызывающие эрозию металла. Попутно протекают и процессы анодного растворения: под действием
тока в присутствии электролита происходит разрушение анода. Образующаяся в результате оксидная плёнка удаляется с выступающих
участков вращающимся инструментом, при этом обнаруживаются новые участки поверхности для их
дальнейшего анодного растворения.
Таким образом, черновая анодно-механическая обработка ведётся,
в основном за счёт электрохимического анодного растворения в сочетании с механическим удалением получающейся при этом оксидной
плёнки с выступающих неровностей.
2
При мягком режиме (плотность тока 15 А/см
) обработка ведёт-
ся за счёт электрохимического растворения и механического удаления
плёнки. Достигаемая шероховатость поверхности от R
до R
= 0,04 мкм. При более жёстком режиме удаление металла про-
a
= 0,32 мкм
a
исходит за счёт электроэрозии и шероховатость поверхности составляет от R
= 160 мкм до Rz = 20 мкм. Данный метод используется
z
при обработке заготовок из труднообрабатываемых высокопрочных
сплавов.
Чистовая анодно-механическая обработка позволяет получить
высокую точность (от 1 до 2 квалитета) и шероховатость поверхности
от 0,63 до 0,32 мкм, поэтому применяется для шлифования, заточки
и доводки инструментов. Процесс ведётся при силе тока от 5 до 10 А
и напряжении 20 В и характеризуется низкой
(от 1 до 2 мм
3
/мин).
производительностью
Химико-механическая обработка применяется при формооб-
разовании заготовок из чёрных и цветных металлов и сплавов, а также
из металлокерамических сплавов. Обработка заготовки осуществляется в результате протекания химических и электрохимических реакций
с применением поверхностно активных и химически активных
веществ или электролитов (растворов солей).
Химико-механическая обработка применяют при шлифовании
опорных плоскостей, твердосплавных пластинок
под напайку или
установку (при механическом закреплении), а также для заточки
твердосплавного режущего инструмента. Процесс протекает при температуре суспензии около 45
ºС, что исключает возможность растрескивания пластин. Кроме заточки и шлифования также выполняют
притирку, чистовую доводку, резку, хонингование отверстий, производят химическое фрезерование титана, алюминиевых, магниевых
и тугоплавких сплавов.
107
Существуют следующие две основные разновидности данного
процесса. Первый способ осуществляется с применением в качестве
инструмента–электрода токопроводящего шлифовального
круга
(электроабразивные круги с электропроводным наполнителем).
Корундовые или алмазные зёрна, выступающие из токопроводящей
связки, образуют щель между связкой круга и обрабатываемой деталью, в которую поступает электролит. В результате анодного растворения образуется твердая пленка, которая удаляется выступающими
зернами круга, обеспечивая шероховатость поверхности R
от 1,6
a
до 0,5 мкм. При доводочных режимах, с припуском (0,01…0,05) мм,
шероховатость поверхности R
(0,2…0,032).
a
Основное преимущество первого процесса – возможность обработки любых материалов независимо от их вязкости и твердости.
Основные недостатки – для обеспечения большой плотности тока
требуются мощные источники энергии; большой расход электролита.
Второй способ осуществляется с применением в качестве инструмента-электрода токонепроводящего шлифовального круга
(элек-
тронейтрального инструмента) – шероховатость обрабатываемой
поверхности R
(1,6…0,5) мкм. Основное преимущество этого спосо-
a
ба – мощные источники постоянного тока не требуются.
Плазменная обработка состоит в том, что плазму – направлен-
ный поток частично или полностью ионизированного газа при температуре от 10000 до 20000 ºС – направляют на обрабатываемую поверхность с целью расплавления и испарения материала заготовки
или, наоборот, напыления другого материала на заготовку.
Плазму получают в плазменных горелках, пропуская газ через
столб сжатой дуги (рис. 3.10). Дуга
горит в узком канале сопла горелки, через который продувают газ. При этом столб дуги сжимается, что
приводит к повышению в нем плотности энергии и температуры. Газ,
проходящий через столб дуги, нагревается, ионизируется и выходит
из сопла в виде высокотемпературной плазменной струи.
В качестве плазмообразующих газов применяют азот, аргон,
водород,
гелий, воздух и их смеси. Газ выбирают в зависимости от
процесса обработки и вида обрабатываемого материала. Плазменным
методом обрабатывают заготовки из любых материалов, выполняя
прошивание отверстий, вырезку заготовок из листового материала,
строгание, точение. При прошивании отверстий, разрезке и вырезке
заготовок головку устанавливают перпендикулярно к поверхности заготовки, при строгании и точении
108
– под углом от 40 до 60º.
Принципиально новым методом изготовления деталей является
плазменное напыление с целью получения заданных размеров. В камеру плазмотрона подают порошкообразный материал и одновременно инертный газ под высоким давлением. Под действием дугового
разряда конструкционный материал плавится и переходит в состояние
плазмы. Струя плазмы сжимается в плазмотроне плазмообразующим
газом. Выходя из сопла, струя
плазмы направляется на обрабатываемую заготовку. Системы вертикальной и горизонтальной развёрток
обеспечивают перемещение струи по поверхности обработки.
3
2
6
1
4
7
5
а б
Рис. 3.10. Схемы процесса получения плазменных
источников нагрева:
а – плазменная струя, выделенная из дуги: 1 – дуга; 2 – электрод;
3 – керамическая прокладка; 4 – сопло; 5 – плазменная струя;
6 – концентрическое сопло; б – плазменная дуга, совмещенная
с плазменной струёй: 7 – заготовка
Плазменное напыление применяют и для получения деталей из
напыляемого материала. Детали получаются в результате наращивания микрочастиц конструкционного материала в определенных местах экрана. Иногда вместо экрана используют тонкостенную заготов-
109
ку, на которую направляется плазма, и происходит наращивание
металла.
Электрохимическое полирование (рис. 3.11) выполняется
в ванне, заполненной электролитом (в зависимости от материала заготовки – кислотой или щёлочью). Заготовка служит анодом (Э-З),
катодом является металлическая пластина из свинца, меди или стали
(Э-И). Для ускорения протекания процесса электролит подогревают
до температуры от 40 до 80 ºС.
+
–
Вид А
увеличено
5
3
6
А
4
2
1
Рис. 3.11. Схема электрохимического полирования:
1 – ванна; 2 – заготовка; 3 – пластина-электрод; 4 – электролит;
5 – микровыступы; 6 – продукт анодного растворения
При прохождении электрического тока на выступах микронеровностей Э-З начинается процесс растворения металла с образованием продуктов распада – оксидов или солей, которые в виде пленки заполняют впадины микронеровностей и сглаживают поверхность Э-З.
В результате чего поверхность Э-З приобретает металлический блеск.
Кроме того, в ходе электрополирования улучшается электрофи
-
зические характеристики деталей, так как уменьшается глубина микротрещин; обрабатываемый поверхностный слой не деформируется;
не происходит упрочнения и термической смены структуры; повышается коррозионная стойкость деталей; возможна одновременная обработка заготовки по всей поверхности.
Шероховатость обработанной поверхности зависит от качества
предварительной обработки. Обычно в производственных условиях
находится в пределах от 0,63 до 0,08 мкм, на предварительно шли-
R
a
110
Соседние файлы в предмете [НЕСОРТИРОВАННОЕ]