Лекция 20. Ультразвуковая обработка

1. Виды процессов ультразвукой обработки

Ультразвуковая обработка представляет собой группу технологических процессов, происходящих при наличии других механических колебаний с частотой более 16000 Гц. Все упругие механические колебания условно разделены на четыре группы:

1. Инфразвуковые с частотой до 16 Гц;

2. Слышимых звуков (16-10)*10³ Гц;

3. Ультразвуковые 16*10³ - 10¹⁰ Гц;

4. Гиперзвуковые - более 10¹⁰ Гц.

Известно что излучение и распространение упругих колебаний в разных средах подчиняется общим законам акустики. Колебание источника передается соседним частицам среды, которые начинают двигаться вдоль направления распространения волны. Ультразвуковые волны являются волнами давления. Ультразвук в приборостроении применяется в двух средах:

1. как рабочий процесс предназначенный для обработки деталей при размерной ультразвуковой обработке;

2. как интенсификатор процессов очистки, промывки, осаждения металла, сварки, пайки, химических и электрохимических процессов и др.

Получение ультразвуковых механических колебаний из электрических может производится при использовании преобразователей двух типов: магнитострикционных и пьезокерамических.

Магнитострикционные преобразователи основаны на свойстве материалов (никеля, пермолоя и др.) изменять свои размеры при нахождении в магнитном поле. Их собирают из отдельных пластин в пакеты, которые находясь в переменном электромагнитном поле ультразвуковой частоты колеблются с амплитудой порядка 10 мкм. Для ее получения применяют концентраторы, концентрирующие акустическую энергию на конце стержня меньшего сечения. К нижнему концу стержня присоединяется инструмент, форма которого соответствует форме отверстия у обрабатываемой детали. Материалом инструмента служит сталь 20, 40, медь, латунь.

Пьезоэлектрические преобразователи основаны на свойстве некоторых кристаллов кварца, сегнетовой соли, титаната бария и др. сжиматься или растягиваться в электрическом поле.

2. Ультразвуковая размерная обработка

Схема обработки показана на рис. 20.1. Деталь 2 устанавливается на предметном столике 1 станка и крепится. Под инструмент 5, установленный в концентратор 6, подается рабочая жидкость 3 (в виде водной суспензии) из трубопровода 4. Колебания инструмента передаются зерну абразива, который производит обработку. Процесс производится по ранее рассмотренному принципу при использовании преобразователя 7 и ультразвукового преобразователя 8.

Размерная ультразвуковая обработка эффективно применяется при обработке твердых материалов - стекла, кварца, керамики, алмаза, германия, кремния, твердых сплавов и др. Для мягких вязких материалов такая обработка не применима.

Процесс характеризуется высокой производительностью из-за большого количества зерен ударяющих о поверхность (20000-100000 шт/см³) при колебании инструмента от 16^;ДЬ 30 тысяч в секунду. В настоящее время применяют процессы ультразвукового фрезерования, шлифования, точения, разрезания, нарезки резьбы и др. Достигаемая точності ІТ-6 при шероховатости °’³²V-°’W и хорошего состояния поверхности.

3. Ультразвуковая очистка и промывка

Процесс, где ультразвук используется как интенсификатор процесса. В рабочей жидкости возбуждаются кавитационные процессы, местные гидродинамические потоки и др. Явления способствующие очистке деталей особенно в труднодоступных местах (пазах; отвёрстиях, углублениях и т.п.). Процесс производится в ванне в растворах (промывка) или нейтральной среде (очистка). Наведенные в жидкости колебания приводят к двум фазам: фаза растяжения образует полости и пузыри и фаза сжатия - эти пространства захлопываются, что интенсифицирует Процессы. Интенсивность кавитационных процессов зависит от частоты колебания сил сцепления - в жидкости (температура и вязкость). Повышается качество и производительность очистки в 2-10 раз, уменьшается расход химикатов в 2 раза. Для небольших деталей (размером 20-30 мм) очистку производят при интенсивности 5-10 вт/см².

Лекция 21. Лучевая обработка

1. Светолучевая обработка

Производится о применением ОКГ путем высокой плотности сфокусированного луча за счет нагрева и испарения материала о узкоканального участка. ОКГ (рис. 21.1) может работать в двух режимах: наведения (а) и обработки (б). Режим наведения на место обработки и фокусировка лазерного луча производится при включении лампочки 4 подсветки системы наведения. Лучи от лампы 4 направляются на призму двойного преломления I, конденсорную линзу 10, резонатор 9, призму оптической головки 5, линзу сменного объектива 7 и дальше на обрабатываемую деталь. Пользуясь отбрасывающимся экраном микроскопа 6 проводят наведение на место обработки и фокусируют луч. Режим обработки производится путем включения импульсной лампы, 8, которая производит энергетическую накачку резонатора 9 состоящего из непрозрачного зеркала резонатора 2 и прозрачного зеркала резонатора 3.

Применяется три вида резонаторов: твердотелые, газовые и полупроводниковые. Наиболее широкое распространение получили твердотелые на кристалле рубина, (окиси алюминия, активированной 0,05% хрома) дающего выходную энергию излучения 20-40 Дж, или на стеклянных стержнях, активированных неодимов, имеющих выходную энергию 100-120 Дж.

В принципе работы ОКГ заложено увеличение мощности излучения за счет многократного внутреннего отражения от зеркальных поверхностей резонаторов (полупрозрачного и непрозрачного диэлектрических покрытий, нанесенных на торцах кристалла). Необходимая плотность излучения получается путем фокусировки луча системой линз в зоне обработки. Интервалы между вспышками составляют 15-30с при длительности 1-5мкс. Система нуждается в охлаждении, так как к.п.д. рубинового кристалла составляет всего 0,1% эффективность работы которого с повышением температура ухудшается. Энергия светового импульса лампы составляет 2000 - 10000 Дж.

Проведем анализ условий формообразования при обработке лучом ОКГ. Тепловой эффект в зоне обработки возникает вследствие торможения потока фотонов в тонких поверхностных слоях материала. Глубина обработки определяется длительностью импульса облучения и положением фокуса относительно поверхности.

Рассмотрим три положения фокуса (рис.21.2) относительно поверхности обработки: а - фокус недотянут до поверхности обработки; б - фокус на обрабатываемой поверхности; в - фокус перетянут за обрабатываемую поверхность.

При расположении фокального пятна над поверхностью обработки (фокус недотянут) высокая температура фокальной области образует плазму, вызывающая при высоких плотностях энергии пробой газа, фронт которого распространяется к фокусирующей линзе, что приводит к поглощению энергии. Остальная часть энергии взаимодействует с верхними слоями заготовки образуя квазистатическую и кзидинамическую фазы. "Квази" - означает в переводе на русский язык “как будто”,

“почти”. Квазистатическая стадия характеризуется Постепенным нагревом зоны обработки, что уменьшает прочностные связи обрабатываемого материала с основной массой его. Квазидинамическая - заключается во взрывоподобном удалении жидких и газообразных продуктов облучения из кратера. Если AF> 1.5мм пробой газа поглощает большую часть энергии динамическая фаза может не возникнуть.

При расположении фокуса на обрабатываемой поверхности последовательно возникают также две фазы: квазистатическая и квазидинамйческая с преобладанием статики.

Расположение фокуса в толще обрабатываемого материала приводит к образованию теплового ядра, из которого в конце импульса через каналы проводимости вырывается расплавленный материал в виде жидкой пли паровой фазы. Стенки канала истечения оказываются оплавленными. Образование места обработки происходит примерно по одинаковой схеме. Входная конусная часть (фаска) возникает вследствие оплавления стенок. Действие плазмы соответствует широкий угол конуса на входной поверхности, на сквозных отверстиях может образоваться выходной конус. Бочкообразная форма отверстия соответствует положению фокуса под обрабатываемой поверхностью. Процесс обработки световым лучом имеет следующие преимущества: не требуется создание вакуума; нет рентгеновского (вредного) излучения; лазерные установки проще электронных, ионных и др.; можно производить обработку за прозрачной перегородкой (в запаянных колбах).

Главным недостатком обработки является отсутствие надежных методов управления движения луча по обрабатываемой поверхности, поэтов при обработке перемещается сама деталь. Основными составляющими погрешности обработки является износ оптической системы (необратимые тепловые изменения в кристалле, осаждение паров металла на фокусирующей линзе и т.д.); неточность изготовления оптической системы; погрешности настройки на размер и установки детали; выверка оптической системы; тепловые явления. После рассеивания диаметральной точности 30- 40 мкм, сто соответствует IT8-9 квалитетам точности, линейной 20-25 мкм, что соответствует ГГ8-14 квалитетам точности.

Шероховатость зависит от обрабатываемого материала. При обработке нержавеющих сталей получают шероховатость 0,16-0,04; латуни -0,32-0,08; алюминий и его сплавы 0,63-0,16; керамики 0,08-0,02- однако этот оплавленный слой непрочен и. скалываясь, обнажает поверхность 0,63-0,16. Вход и выход отверстий тлеет шероховатость на 1-2 класса хуже.

2. Электроннолучевая обработка

Производится в специальных установках (камерах) рис. 21.3, где создается глубокий вакуум, составляющий 1,33* 10"³-г-1,33-10"⁵ Па. Метод сопровождается рентгеновскими излучениями, требующий защитных средств для рабочего. Хорошо обрабатываются как металлы, так. и неметаллические материалы (магнитные

материалы и керамика, легированные стали и ферриты, твердые сплавы и корунд и т.д.) обрабатываются одинаково успешно.

За счет точного дозирования энергии луча можно проводить большое количество технологических процессов - от местной термообработки, зонной очистки и сварки до механической обработки. Электроннолучевая установка представляет собой камеру катода I, анода 2, электрода управления 3. Для питания катода и анода служат блоки питания 6 и 5. Электроны эмиттируемые катодом за счет термоэмиссии, под действием анодного напряжения (50-200 кв) направляются с заданной скоростью в⁵ рабочую камеру. Управление лучом производится системой магнитной юстировки 9, магнитной линзой 4. На предметный столик 7, управляемый программным" устройством 8 установлена обрабатываемая заготовка 10.

В основе обработки электронным лучом положен процесс расплавления и испарения материала за счет повышения температуры при резком торможении потока электронов в месте встречи его с обрабатываемой поверхностью. Для придания потоку формы пучка имеется диафрагма (управляющий электрод 3), на которую подается отрицательное смещение. Можно создать пучок диаметром 0.01 +0,1 мм. Ток в пучке

составляет несколько миллиампер, а плотность энергии пучка - до 10⁹ вт/см². Время обработки не более 5 сек. За это время никакие окислительные, диффузионные процессы не успевают проходить.

3. Ионнолучевая обработка

Йоннолучевая обработка производится на аналогичной установке как и электроннолучевая, но вместо глубокого вакуума применяются газонасыщенные камеры. Достоинством этого метода является низкая температура проведения процесса высокая степень чистоты рабочего пространства, отсутствие влияния внешней .среды, в однородности получаемых структур. При хорошей отработки технологии все операции начиная с обработки поверхности кристалла и кончая герметизацией прибора можно производить не извлекая частей прибора из установки. Применяя ионные пучки различных элементов с различной энергией можно производить очистку и микрофрезерование, наносить металлические, диэлектрические и полупроводниковые пленки, осуществлять локальное легирование пластин полупроводника.

В качестве рабочего газа используют для очистки и обработки - водород, гелий и т.п. инертные газы; для окисления - кислород; для легирования - газообразное состояние легирующего элемента. Процесс производится за счет Непрерывной бомбардировки обрабатываемой поверхности и зависит от энергии пучка _и ее плотности.

Лекция 22. Изготовление корпусных деталей

Корпусные детали в оптических приборах выполняют функцию базирующих деталей. С их помощью соединяются, координируются и взаимно располагаются в пределах требуемой точности детали, имеющие единое целевое и эксплуатационное название. Большое разнообразие оптических приборов а также конструкций сборных единиц, разнообразие их размеров и расположений обусловливают большое число конструкций корпусных деталей, отличающихся конфигурацией размерами, числом, формой, расположением обрабатываемых поверхностей и их точностью. Наряду с требованием точности к их обработке предъявляются требования сохранения точности в течение длительного периода эксплуатации прибора. Корпусные детали являются наиболее трудоемкими в изготовлении.

Условно корпусные детали можно розбить на следующие группы: корпуса коробчатые, рамочные, П-образные, Г-образньге (кронштейны) круглые и корпуса-трубы. Габаритные размеры корпусных деталей оптических приборов (исключая астрономические и уникальные лабораторные приборы) находятся в пределах 30-750 мм.

Характерной особенностью корпусных деталей, особенно коробчатых и рамочных, является наличие отверстий, точно координированных относительно друг друга и базовой поверхности. Отверстия располагаются одной или нескольких сторон. Следует отметить, что отверстия (основные) разнообразны по форме, хотя предпочтительное применение находят круглые отверстия. Размеры по диаметру и длине, а также ширине торцов колеблются в достаточно широких пределах. Основные требования к корпусным деталям оговариваются техническими условиями на изготовление того или иного прибора. Однако, как показывает практика, к техническим требованиям следует относиться критически и подвергать их анализу с позиций служебного назначения и условий работы прибора.

Статистический анализ точности корпусных деталей оптических приборов позволяет установить обобщенные Характеристики на основные параметры, получаемые в результате механической обработки. Основные отверстия изготовляют по 2-му и 3-му классу точности, реже по 1-му и 4-му. Точность формы основных отверстий обычно нормируется пределами точности диаметральных размеров отверстий [(1/4-1/2)&, где & - допуск в миллиметрах]. В отдельных, случаях (главным образом у лабораторных приборов) точность формы отверстий выше точности диаметральных размеров (некруглость 0,005-0,007 мм, а нецилиндричность

4. 003-0,005 мм). Шероховатость поверхности остальных-отверстий, изготовленных по 2-му и 3-му классам точности, нормируется по 6-7-му классам шероховатости. Допустимые отклонения от номинального значения координат, регламентирующие межосевые расстояния и расстояния отверстий от базовой поверхности, ограничиваются пределами

01-0,1 мм. Особо оговаривается допустимая погрешность соосности отверстий, расположенных на одной, двух и более параллельных стенках, допустимая несоосность ограничивается пределами 0,03-0,07 мм. Отклонения взаимного расположения поверхностей корпусных деталей нормируются в пределах не перпендикулярности осей, поверхностей и оси основного отверстия 0,01-0,07 мм на длине детали, а не параллельность осей и поверхностей допускается в пределах 0,03-0,1 мм. Допуски на межосевые расстояния крепежных отверстий, а также допустимые отклонения их диаметральных размеров обычно в чертежах не оговариваются или определяются значениями 0,1-0,3 мм.