Фролов ЭМ.Технология изготовления деталей машин

322

Глава 2.6. ЛАЗЕРНЫЕ И ЭЛЕКТРОННО-ЛУЧЕВЫЕ МЕТОДЫ ОБРАБОТКИ

Техническая характеристика установки

Установка

"Корунд" предназначена

для

"Квант-20"

сверления отверстий в часовых камнях. В

Длина

волны

излучения,

1,06

установке применен лазер на стекле с неоди­

мкм

мом. Установка может работать как в ручном,

Мощность излучения, Вт . . .

63

так и в автоматическом режиме. Производи­

Скорость резки, мм/мин . . .

60— 360

тельность установки - один камень в секунду.

Размеры

исходных

листов

От 100x50x1

Установка снабжена

автоматизированным

стекла, мм

до 650x500x3

загрузочным устройством.

Ширина получаемых загото­

150

Технические данные установки "Корунд"

вок, мм, не более

Точность разделения, мм . . .

0,2-1

Энергия в импульсе, Дж . . .

0,1—0,5

Потребляемая

мощность,

Частота

следования

импуль­

кВт

10

сов, Гц

1,0-10,0

Габаритные размеры, мм . . .

1450x850x1400

Длительность импульса, мс .

0,15

Масса, кг

400

Диаметр

обрабатываемого

Установки для сверления отверстий раз­

отверстия, мм

0,03—0,15

работаны на базе твердотельных лазеров.

Потребляемая

мощность,

Большая

часть установок

с

твердотельными

кВт

2,0

лазерами

работает

в режиме

свободной гене­

Габаритные размеры, мм . . .

600x1200x1400

рации. Обычно для сверления используется

Масса, кг

300

многоимпульсный

режим,

хотя

некоторые

установки

рассчитаны

на

одноимпульсную

обработку.

Для получения отверстий в рубиновых

Установки с твердотельными

лазерами

камнях предназначены установки АК-345 и

предназначаются, в основном, для сверления

АК-378, в качестве активного элемента лазера

относительно толстых

материалов

многоим­

в которых используется стекло с неодимом.

пульсным методом (алмазов, часовых кам­

ней).

применения устано­

Техническая характеристика установок

Типичная область

АК-345 и АК-378

вок с импульсными лазерами на СО2 - высо­

АК-345 АК-378

копроизводительная

перфорация

одноим-

Энергия импульса, Дж . . .

пульсным методом тонких материалов, на­

0,2; 0,5

1,5

пример, полимерных пленок.

Частота

повторения

им­

Для получения отверстий в заготовках

пульсов, Гц

2,5

5,0

алмазных

волок

предназначены

установки

Длительность импульса, мс

0,25

0,25

"Квант-9" и "Квант-9М", которые могут быть

Диаметр

обрабатываемого

использованы также для сверления и других

отверстия, мкм

50-80

80-200

материалов. В установках используются

им­

Глубина

обрабатываемых

0,5;

пульсные лазеры на стекле с неодимом. Свер­

отверстий, мм

0,5

0,75

ление можно выполнять одноимпульсным и

многоимпульсным

методами,

причем

при

Установка

"Кристалл-6"

с лазером

на

одноимпульсном

методе

диаметр

может

со­

стекле

с

неодимом

предназначена

для

обра­

ставлять

0,005 ... 0,4

мм,

глубина

-

до 1 мм;

ботки

различных материалов,

в

том

числе

при многоимпульсной

обработке: диаметр -

керамики, металла, рубина.

до 0,8 мм, глубина - до 3 мм. Производитель­

ность установок при лазерном

сверлении

ал­

Техническая характеристика установки

мазов в 20 раз выше, чем при

использовании

"Кристалл-6"

других электрофизических методов, и в 200

раз выше механического сверления.

Энергия

импульса

излуче­

Техническая характеристика установки

ния, Дж

0,5-4

Частота повторения

импуль­

"Квант-9"

сов, Гц

0,5-20

Энергия

излучения,

Дж,

не

Длительность импульсов, мс

0,2

более

8

Диаметр

обрабатываемых

Длительность импульса, мс .

0,35-0,5

отверстий, мм

0,1—0,6

Частота повторения

импуль­

Глубина

обработки,

мм,

не

сов, Гц

более

3,0

"Квант-9"

0,1-1

Потребляемая

мощность,

"Квант-9М"

0,1-3

кВт

4,5

Срок службы импульсной лам­

200

пы накачки, тыс. вспышек . .

Габаритные размеры, мм . . .

1250x950x1300

323

Светолучевой станок 4Р222Ф2 с про­

Оптический квантовый генератор может

граммным

управлением

предназначен для

работать в режимах свободной генерации и

размерной

обработки различных труднообра­

генерации,

модулированной

ультразвуковыми

батываемых

материалов,

включая

алмазы,

колебаниями

глухого

зеркала

с

частотой

керамику, корунд.

22 кГц.

На станке можно выполнять следующие

Для

скрайбирования

полупроводнико­

работы: вырезку отверстий и щелей произ­

вых подложек интегральных схем применяют­

вольной формы в керамических платах дета­

ся установки на ИАГ, а для скрайбирования

лей

микроэлектроники;

обработку

сложных

диэлектрических

подложек,

стеклянных

пла­

профилей

алмазных

волок;

профилирование

стин индикаторов и других подобных мате­

многогранного инструмента из искусственных

риалов - скрайберы с импульсными лазерами

сверхтвердых материалов (эльбора, карбонадо,

на С02.

композита).

Для

скрайбирования

полупроводнико­

Обработка проводится сфокусированным

вых пластин применяются установки, снаб­

излучением твердотельного ОКГ на рубине с

женные лазерами на фанате с непрерывной

длиной волны 0,6943 мкм. В станке реализо­

накачкой и модуляцией добротности. Акусто-

ваны две схемы локализации излучения: про­

оптический модулятор добротности обеспечи­

екционная и в фокальной плоскости. Станок

вает частоту модуляции 1 ... 50 кГц и мощ­

оснащен

многофункциональной

системой

ность излучения в импульсе порадка несколь­

ЧПУ, управляющей перемещениями стола с

ких киловатт при длительности 200 ... 300 не.

шаговым приводом, работой квантового гене­

Установки

для

скрайбирования

снабжаются

ратора и приспособлений. Источник питания -

точными координатными столами с про-

на базе модулятора МТ-47.

фаммным

управлением,

оптическими систе­

мами

для

совмещения

разфаничительных

Техническая характеристика установки

дорожек скрайбируемой пластины с фаекто-

4Р222Ф2

рией скрайбирования, а также усфойствами

Энергия

излучения,

Дж,

не

для вакуумного отсоса продуктов обработки.

Глубина скрайбирования лежит в преде­

более

2

лах 25 ... 350 мкм и зависит от скорости

про­

Частота

следования

импуль­

цесса. В тех

случаях,

когда ширина линии

сов, Гц, не более

20

скрайбирования

должна

быть

минимальной,

Длительность импульса, мкс

150—250

лазер

работает

в одномодовом

режиме,

что

Диаметр

обрабатываемых

достигается введением

в резонатор усфойств

отверстий, мкм

50—300

для селекции типов

колебаний.

При

этом

Глубина

отверстий

при

расходимость

луча

минимальна,

а

средняя

многоимпульсной обработке,

мощность излучения не превышает 5 ... 10 Вт.

мм, не более

10

Если

допустимо

увеличение ширины линии

Глубина резания при много­

скрайбирования

до

100 ... 150 мкм, целесооб­

проходной

обработке,

мм,

разно, чтобы лазер работал в многомодовом

не более

5

режиме. Благодаря увеличению средней мощ­

Перемещение стола по двум

ности излучения в этом режиме становится

координатам, мм, не более .

300x100

возможным увеличить как глубину, так и ско­

Дискретность

перемещения,

рость скрайбирования.

мкм

2; 10

Отечественной

промышленностью

вы­

Точность

перемещения

сто­

пускается

полуавтомат

лазерного

скрайбиро­

ла

(накопленная

погреш­

вания ЭМ-220, предназначенный для обра­

ность на длине 300 мм), мм

0,03

ботки

полупроводниковых

пластин.

Полуав­

Система управления

2М43-22

томат снабжен ИАГ: Nd-лазером, работаю­

Потребляемая

мощность,

щим в режиме модулированной добротности.

кВт

12,5

Управление исполнительными

механиз­

Габаритные размеры, мм:

мами

осуществляется

микропроцессорным

станка

1520x750x1275

усфойством. Телевизионная

система с увели­

чением бО''

позволяет

бысфо

и

с

высокой

блока питания

720x620x1900

точностью выполнить совмещение и обеспе­

блока охлаждения . . . .

600x750x1400

чивает безопасность работы оператора.

системы ЧПУ

700x500x1800

Полуавтомат ЭМ-220 отличается от ана­

Масса станка с агрегатами и

логов наличием

автоматической фокусировки

электрооборудованием,

кг,

и программируемой

перефокусировки лазер­

не более

1500

ного усфойства.

325

фазовые превращения в твердом состоя­

сила тока луча /, ускоряющее напряжение

U,

нии, появляющиеся, например, при закалке

сила тока фокусирующей системы /ф, рабочее

соответствующих сталей;

расстояние / (от центра фокусирующей систе­

сублимация - удаление материала при

мы до поверхности обрабатываемой детали),

выполнении отверстий, пазов, резании, гра­

скорость перемещения луча v.

вировании алмазов, графита, кварцевого стек­

При заданном рабочем расстоянии /, си­

ла;

разложение твердого материала на лету­

ле тока /ф и мощности процесса

W можно

определить диаметр электронного луча d и,

чие компоненты и унос материала при реза­

следовательно,

удельную

мощность,

которая

нии

синтетических

материалов,

керамики,

является одним из определяющих параметров

бумаги;

процесса:

разложение с образованием, по крайней

мере, одного твердого компонента и удаление

q = Iu[Kd^lA].

материала при резании, сверлении, гравиро­

вании арсенида галлия, фосфида галлия;

При воздействии в импульсном

режиме

плавление

материалов

при

микросварке

средняя мощность (Вт)

металлов, полировании металлов и полупро­

водниковых материалов (кремний, германий),

нанесение рисок оплавлением (кремний, гер­

маний,

керамика,

ферриты),

легирование

где / - сила тока импульса; А; /

- частота сле­

полупроводников путем выплавления

лигатур

дования импульсов, Гц; т - длительность им­

при изготовлении полупроводниковых прибо­

пульса, с.

ров и интегральных микросхем;

Скорость обработки в импульсном ре­

испарение - удаление материала при ре­

жиме

зании, гравировании

металлов, диэлектриков,

синтетических мatepиaлoв.

Обрабатываемость материала в основном

где В - диаметр зоны обработки (точки); к -

зависит от его теплофизических свойств и

удельной мощности пучка электронов. Чтобы

коэффициент

перекрытия

точек

(0,5 ... 0,9);

избежать

избытка

жидкой

фазы,

добиться

Тп - время паузы между импульсами, с.

максимальной

производительности

за

счет

Шаг точек

s = v{x-\- тЛ .

реализации

резонансных

режимов

нагрева,

обработку ведут в импульсных режимах. При

Скорость обработки

v =s / (т + тЛ .

этом возможны следующие технические вари­

Механизм

поверхностной

обработки

анты

обработки: многоимпульсная,

моноим­

электронным

лучом

связан

со спонтанным

пульсная, с быстрым отклонением луча.

испарением любого материала

остросфокуси-

Основные технические и экономические

рованным электронным

лучом.

Вследствие

преимущества

рассматриваемого

метода за­

этого в течение тысячных долей секунды об­

ключаются в следующем:

разуется

глубокий

узкий

канал. Расплавлен­

инструмент для

обработки

-

электрон­

ный материал,

окружающий

канал,

под дав­

ный луч - не чувствителен

к твердости

мате­

лением пара

взрывообразно

выбрасывается

риала и не подвержен износу;

наружу. В результате

вся технология

направ­

достаточно надежно

выполняется

обра­

лена на

создание

энергии,

достаточной для

ботка наклонных к плоскости отверстий;

испарения и удаления расплава из зоны обра­

размещение и форма отверстий управля­

ботки.

ется вычислительной машиной и не нуждает­

Одним

из

механизмов,

объясняющих

ся в разметке или смене "инструмента";

вынос материала из зоны обработки, является

размеры отверстий составляют в диамет­

механизм

объемного

вскипания,

который

ре от 0,05

мм

(при

максимальной

глубине

существенно

отличается

от

поверхностного

сверления 0,3 мм) до 1 мм

(при

максималь­

испарения, которое тоже, естественно, играет

ной

глубине

сверления

6

мм). Производи­

определенную роль в процессе формирования

тельность

перфорирования

может составлять

отверстия.

от нескольких тысяч отверстий в секунду

Объемное

парообразование

связано

с

(большой

диаметр,

незначительная

глубина)

до 10 отверстий в секунду (небольшой диа­

тем, что реальные металлы содержат опреде­

метр, большая глубина). При многоимпульс­

ленное количество дефектов в виде газовых и

ной обработке

можно еще больше увеличить

усадочных раковин, пор, скоплений, приме­

глубину отверстий за счет скорости обработки.

сей, неметаллических

включений,

растворен­

Параметрами

электронного

луча

(ЭЛ),

ных газов. Указанные и другие возможные

измеряемыми в процессе обработки, являются

дефекты материала, влияющие друг на друга,

326

Глава 2.6. ЛАЗЕРНЫЕ И ЭЛЕКТРОННО-ЛУЧЕВЫЕ МЕТОДЫ ОБРАБОТКИ

обычно называются искусственными или го­

мальной силой тока в единице телесного угла

товыми центрами парообразования, на кото­

и углубления фокуса ЭЛ под поверхность

рых возникают пузырьки пара в объеме рас­

детали;

плавленного металла. Толщина слоя расплава,

при обработке тонких пленок ЭЛ дол­

в котором могут протекать процессы объем­

жен иметь максимальный угол сходимости, а

ного парообразования, изменяется в зависи­

его фокус должен располагаться над обраба­

мости от плотности потока, от сотен до еди­

тываемой поверхностью;

ниц микрометра. Толщина слоя расплава су­

наибольшую

глубину

и

наименьший

щественна для динамики данного процесса,

диаметр отверстия, полученного от действия

поскольку она является верхним пределом

единичного импульса, достигают при углуб­

при росте пузырька. Пузырьки, увеличиваясь

лении

фокуса

ЭЛ

под

поверхностью

на

в размере, достигают толщины расплава. Вы­

0,1 ... 0,3 мм;

ходя на поверхность, они выбрасывают жид­

при постоянных прочих параметрах на

кость, заполняющую промежутки между ни­

скорость

обработки

существенное

влияние

ми. Процесс носит взрывной характер и вы­

оказывает длительность импульса: чем выше

носит значительное количество жидкого рас­

длительность импульса, тем выше скорость

плава. Управляя процессом испарения и объ­

обработки;

емного

вскипания

добиваются

необходимого

частота следования импульса имеет оп­

качества обработки.

тимальные диапазоны (100 ... 200 Гц), в кото­

Углубление канала с помощью ЭЛ про­

рых повышается производительность обработ­

исходит в автоколебательном режиме: перио­

ки.

Высокоэффективная

обработка

отвер­

дически испаряется слой толщиной 5, а в

промежутках ЭЛ рассеивается на стенки ка­

стий электронным лучом широко применяет­

нала (с удельной мощностью д, на один два

ся для перфорирования различных узлов и

порядка ниже первоначальной), и образует

деталей:

жидкую фазу. Следовательно, процесс непре­

отверстия в частях газовых турбин для

рывного воздействия ЭЛ на материал анало­

охлаждения, впрыска топлива и звукопогло­

гичен импульсному воздействию с длительно­

щения;

стью импульса Ти и временем паузы Тр (во

перфорация

для

отсасывания

погранич­

время паузы не происходит углубления кана­

ного слоя;

ла, а только образуется жидкая фаза). Если от

перфорация сит и фильтров;

непрерывного воздействия перейти к им­

изготовление отверстий в форсунках;

пульсному с длительностью импульса т = T„ и

обработка высокотермостойких,

высоко­

временем паузы между импульсами !„ = Тр, то

прочных, неэлектропроводных материалов.

Импульсным

электронно-лучевым

воз­

вместо

проплавления

на некоторую глубину

действием

возможна

размерная

обработка

не

получим отверстие.

только металлических материалов, но и неме­

В зависимости от соотношения парамет­

таллических,

таких как кремний, стекло,

ке­

ров процесса возможно получение

различных

рамика.

геометрических размеров отверстий. С увели­

Физические

процессы,

приводящие

к

чением

глубины обрабатьшаемого

отверстия

образованию

отверстий

с

использованием

увеличивается

его

диаметр.

Вследствие

электронного

луча,

обеспечивают

возмож­

свойств

электронного

луча и

тепловых воз­

ность

осуществления

еще

одного технологи­

действий на

металл

отверстие

всегда имеет

ческого

процесса

- получения

покрытий

и

некоторую разность между входным и выход­

получение

пленок

на

поверхности

материа­

ным диаметром. Это соотношение зависит от

лов.

отношения глубины

к диаметру отверстия и

Основным

преимуществом

импульсного

может колебаться в достаточно широких пре­

нанесения

пленок

электронным

лучом явля­

делах.

ется:

высокая

скорость осаждения

(до

1 ...

Размеры

и форма отверстия

в значи­

10 мкм/с);

возможность

получения

высоко­

тельной степени зависят от режимов обработ­

чистых

пленок;

сохранение

стехиометриче-

ки. Однако эти режимы можно оптимизиро­

ского состава испаряемого материала;

приме­

вать только для определенного вида материа­

нимость

метода

не только к

металлическим,

ла. Общие закономерности взаимосвязи ре­

но и полупроводниковым и диэлектрическим

жимов с геометрией отверстий можно сфор­

материалам.

мулировать следующим образом:

В табл. 2.6.6 приведены сравнительные

при обработке массивных изделий из

параметры

производительности

и эффектив­

любых материалов на большую глубину необ­

ности

некоторых

процессов

термического

ходимо

обеспечить

режим работы

с макси­

испарения [1].

328

Vay v4

торца инструмента) составляет 0,1 ... 1,5 МПа.

Возникающие

при

обработке

динамические

силы /д, имеют импульсный характер и по­

вторяются с частотой колебания инструмента.

Максимальное значение силы Дтах в не­

сколько раз больше Рст-

Ультразвуковая

обработка

основана

на

П\

ударном воздействии торца инструмента на

вершины наиболее крупных абразивных зе­

рен. Этот метод состоит из двух основных

процессов [7]: а) ударного вдавливания абра­

зивных зерен, вызывающего появление тре­

щиноватого слоя и выкалывания небольших

частиц хрупкого материала; б) циркуляции и

смены абразива в рабочей зоне (удаление

образовавшихся частиц и доставка свежего

абразива). Происходит хрупкое разрушение

обрабатываемых материалов

и

одновременно

вязкое разрушение

инструмента, изготовлен­

ного из низкоуглеродистой стали.

При ударе торца инструмента по абра­

зивным зернам вершины зерен вдавливаются

в поверхностные слои детали и инструмента

(рис.2.7.3). Внедрение частиц абразива в ин­

струмент приводит только к пластическим

деформациям, а в поверхностном слое хруп­

кой обрабатываемой детали возникает сетка

микротрещин.

Под

влиянием

напряжений,

создаваемых

последующими

ударами

торца

инструмента по абразивным зернам, происхо­

дит расширение микротрещин и образование

новых - создается зона предразрушения. Вы­

Рис. 2.7.2. Принципиальные схемы ультразвуковых

калывание частиц происходит в моменты,

методов механической обработки:

когда максимальные касательные напряжения

а ' ультразвуковое снятие заусенцев;

в зоне вдавливания превосходят сопротивле­

б - ультразвуковая размерная обработка;

ние сдвигу. Вода, несущая абразив, расширяет

в - очистка шлифовального круга;

микротрещины, облегчает образование

выко­

г - интенсификация обычных процессов резания

лов, а также доставляет свежий абразив в зону

обработки и охлаждает инструмент и деталь.

2.7.1. УЛЬТРАЗВУКОВАЯ РАЗМЕРНАЯ ОБРАБОТКА

Все

технологические характеристики

-

ДЕТАЛЕЙ ИЗ ТВЕРДЫХ ХРУПКИХ МАТЕРИАЛОВ

производительность

процесса,

качество по­

В отличие от электроэрозионной и элек­

верхности, точность обработки и износ инст­

румента зависят от многих акустических и

трохимической

обработки

ультразвуковой

технологических параметров - амплитуды А и

метод применим и наиболее эффективен при

частоты

колебаний

/, физико-механических

обработке деталей из

неэлектропроводящих

свойств обрабатываемого материала абразива,

твердых хрупких материалов - стекла, ситал-

зернистости абразива d^^, вязкости абразивной

лов, керамики и др. Между инструментом

суспензии, кинематической

схемы, площади

(рис. 2.7.2, б), который является частью коле­

инструмента, силы подачи Рст и глубины об­

бательной системы ультразвукового

преобра­

работки Л.

зователя УЗП, и обрабатываемой поверхно­

стью прокачивается

суспензия

абразива

(обычно карбид бора В4С). Чаще используют­

ся продольные колебания инструмента, но

можно применять и поперечные или кру­

м&

тильные [1-7]. Между инструментом

и обра­

батываемой

деталью

создают статическую

силу Рст (сила подачи) порядка нескольких

десятков ньютон

(Рст = 20 ... 3000 Н). Давле­

ние подачи

Рст = ^ст/^и (где

F^ -

площадь

Рис. 2.7.3. Рабочая зона ультразвуковой обработки