Author: Артамонов Б.А. Волков Ю.С. Дрожалова В И.
Tags: технология обработки без снятия стружки в целом: процессы, инструмент, оборудование и приспособления общая технология машиностроения обработка металлов издательство высшая школа электроннолучевой метод светолучевой метод плазменный электрозврывной и комбинированные методы обработки
Year: 1983
Text
Б. А. Артамонов, Ю. С. Волков, В. И. Дрожалова, Ф. В. Седыкин, В. П. Смоленцев, В. М. Ямпольский
Электрофизические и электрохимические методы обработки материалов
(в двух томах)
Том II. ОБРАБОТКА МАТЕРИАЛОВ С ИСПОЛЬЗОВАНИЕМ
ВЫСОКОКОНЦЕНТРИРОВАННЫХ ИСТОЧНИКОВ ЭНЕРГИИ
Под редакцией д-ра техн, наук, проф. В. П. СМОЛЕНЦЕВА
Допущено Министерством высшего и среднего специального образования СССР в качестве учебного пособия 1 для студентов машиностроительных, вузов и факультетов
'Ф
Москва «Высшая школа» 1983
ББК‘34.5
А86
УДК 621.7 + 621.9
Рецензенты: кафедра технологии механосборочного производства Московского высшего технического училища им. Н. Э. Баумана (зав. кафедрой засл. деят. науки и техники РСФСР, д-р техн, наук, проф. В. С. Корсаков); засл. деят. науки и техники РСФСР, д-р техн., наук, проф. А. В. Подзей (Московский авиационный институт)
Артамонов Б. А., Волков Ю. С., Дрожалова В. И. и др.
А86 Электрофизические и электрохимические методы обработки материалов: Учеб, пособие (в 2-х томах). Т. II. Обработка материалов с использованием высококонцентрированных источников энергии/Под ред. В. П. Смоленцева.— М.: Высш.
• школа, 1983.— 208 с., ил.
В пер.: 80 к.
В томе II описаны электроннолучевой, светолучевой, плазменный, электрозврыв* ной и комбинированные методы обработки, а также магнитоимпульсное формообразование. Для этих методов, получивших распространение в последние десятилетия, дань? физические основы, технологические возможности, описаны основные виды оборудования.
Для студентов технологических специальностей машиностроительных вузов, аспирантов» и инженерно-технических работников,
4 2704050000—378 ББК 34.5
А ----------------- 133—83 Л
001(01)—83 6П5.4
эВЬрис Александрович Артамонов чмйй*ий (Степанович Волков I Валерия [Ивановна Дрожалова ««Федор Владимирович Седыкин Владислав Павлович Смоленцев Виктор Модестович Ямпольский
ЭЛЕКТРОФИЗИЧЕСКИЕ И ЭЛЕКТРОХИМИЧЕСКИЕ МЕТОДЫ ОБРАБОТКИ МАТЕРИАЛОВ
Том II. Обработка материалов с использованием высококонцентрированных источников энергии
Зав. редакцией К. И. Аношина. Редактор А. В. Дубровский. Мл. редактор Т. А. Дорофеева. Художественный редактор В. П. Спирова. Переплет художника В. И. Казаковой. Технический редактор Н. В. Яшукова. Корректор В. В. Кожуткина
ИБ № 3959
Изд. № ОТ—394. Сдано в набор 18.03.83. Подписано в печать 04.08.83. Т-11415. Формат 60X90716. Бум. тип. № 1. Гарнитура литературная. Печать высокая. Объем 13 усл. печ. л. 13 усл. кр.-отт. 14,46 уч -изд. л. Тираж 15 000 экз Зак. № 1554. Цена 80 коп.
Издательство «Высшая школа», 101430, Москва, ГСП-4, Неглинная ул., д. 29/14.
Московская типография № 8 Союзполиграфпрома при Государственном комитете СССР по делам издательств, полиграфии и книжной торговли, Хохловский пер., 7.
Часть IV
ЭЛЕКТРОННОЛУЧЕВАЯ ОБРАБОТКА МАТЕРИАЛОВ
ВВЕДЕНИЕ
Изобретение электронной лампы положило начало широкому использованию в науке и технике потоков электронов. В конце XIX в. был разработан первый электроннолучевой осциллограф» в котором электронный луч использовался для воспроизведения на экране параметров различных быстропротекающих процессов. В 1904 г. профессор Петербургского университета Б. Л. Розинг разработал конструкцию электроннолучевого кинескопа. После изобретения в 1905 г. А. С. Поповым радио бурными темпами начали развиваться радиотехника, электроника, а затем телевидение и радиолокация. Все это привело к созданию целого ряда новых электронных приборов, стимулировало изучение специфики получения и управления электронными потоками/В физике сформировалось специальное направление — электронная оптика,— которое изучает вопросы получения электронных пучков требуемой конфигурации и интенсивности.
Необходимость создания электронных приборов привела к возникновению новой отрасли промышленности — электронной техники— и способствовала развитию вакуумной техники и технологии.
Средствами электронной техники удалось получить мощные электронные пучки, энергия которых достаточна для осуществления технологических процессов. В настоящее время электроннолучевая технология сформировалась как самостоятельное, обладающее широкими технологическими возможностями направление в области обработки материалов.
Электронный луч как технологический инструмент позволяет осуществлять нагрев, плавку и испарение практически всех материалов, сварку и размерную обработку, нанесение покрытий и запись информации. Такая универсальность электронного луча дает возможность использовать одно и то же оборудование для различных технологических целей и совмещать в одном цикле обработки различные технологические процессы.
Несмотря на широкие технологические возможности электронного луча как источника энергии, его использование не везде получило широкое распространение. Причина этого лежит прежде всего в высокой стоимости электроннолучевого оборудования, в необходимости высокой квалификации обслуживающего персонала» в сложности средств обеспечения безопасности. Кроме того, при-
менение лазера позволяет решать аналогичные технологические задачи не в вакууме, а в атмосфере, что в ряде случаев значитель-
но упрощает организацию процесса.
Формирование электронного луча для технологических целей можно представить состоящим из следующих основных стадий: получение свободных
электронов;
ускорение электронов электростатическим или магнитным полем и формирование электронного пучка\
изменение поперечного сечения электронного пучка (чаще всего для его фокусирования на обрабатываемой поверхности);
отклонение электронного луча и обеспечение требуемой траектории перемещения точки его встречи (фокального пятна) с обрабатываемой поверхностью.
Для получения электронного луча и управления им применяется ряд специализированных устройств, называемых электронными пушками. Функцио
нальная схема такого устройства приведена на рис. IV. 1. Источником электронов в электронных пушках обычно является термоэмиссионный катод 1 из вольфрама, тантала или гексаборида лантана, обладающих высокими эмиссионными характеристиками. В зависимости от материала катода его рабочая температура может достигать 1600 ... 2800 К. Подогрев катода чаще всего осуществляет-
ся с помощью накаливаемого электрическим током подогревного
элемента; в некоторых случаях сам этот элемент может выполнять функции катода (катод прямого накала). Из-за тяжелых температурных условий работы, интенсивного испарения и охрупчивания срок службы катодов обычно не превышает нескольких десятков часов. Поскольку замена катода требует последующей регулировки и настройки электронной пушки, то основные усилия разработчиков направлены на увеличение срока службы катодов.
На некотором расстоянии от катода находится анод 2, выполненный в виде массивной детали с отверстием. Между катодом и анодом от специального высоковольтного источника питания, входящего в состав блока питания S, прикладывается ускоряющее напряжение 30... 150 кВ; электроны ускоряются этим напряжением до значительных скоростей, большая часть их проходит через отверстие в аноде 2, и в заанодном пространстве они движутся по
инерции. Чтобы из такого электронного потока сформировать электронный луч с необходимыми характеристиками, обычно требуется дополнительная операция — фокусирование.
Для фокусирования луча в электронной пушке обычно используется система диафрагм и магнитных линз. Магнитная линза 3 представляет собой соленоид с магнитопроводом, создающий специальной формы магнитное поле, которое при взаимодействии с движущимся электроном смещает его траекторию в направлении оси системы. При этом можно добиться «сходимости» электронов на достаточно малой площади поверхности и в фокусе электронный луч может обладать весьма высокой плотностью энергии, достигающей 5-1012 Вт/м2, причем с помощью фокусировки она может быть плавно изменена до меньших значений.
В конструкцию электронной пушки обычно входит также отклоняющая система 4, служащая для перемещения электронного луча по обрабатываемой поверхности. Перемещение луча осуществляется за счет его взаимодействия с поперечным магнитным полем, создаваемым отклоняющей системой. Электронная пушка обычно имеет две пары отклоняющих катушек, обеспечивающих перемещение луча по двум взаимно перпендикулярным направлениям.
Следует отметить, что в рабочем пространстве электронной пушки необходим высокий вакуум, чтобы молекулы остаточных газов не препятствовали свободному прохождению электронов. Кроме того, условия работы подогревного катода также требуют защиты его от взаимодействия с атмосферными газами. Давление в камере электронной пушки не должно превышать IO-3... 10”4 Па. При ухудшении вакуума происходит пробой между катодом и анодом электронной пушки, что может привести к выводу из строя высоковольтного выпрямителя.
Электронная пушка обычно выполняется в виде функционального блока, который или неподвижно крепится к рабочей камере 5, или перемещается внутри нее с помощью специальных механизмов.
Обрабатываемая заготовка 6 помещается в рабочую камеру 5, снабженную иллюминаторами для наблюдения за процессом обработки. Откачка пространства пушки и рабочей камеры 5 производится системой насосов 7. При большой протяженности зоны обработки заготовка перемещается в вакуумной камере с помощью специальных механизмов. При малой площади обработки (менее 10Х Х10 мм) обычно достаточно перемещения луча, а заготовка может оставаться неподвижной.
Чтобы точно направлять электронный луч на обрабатываемую заготовку, в некоторых электроннолучевых установках могут применяться специальные оптические системы.
ГЛАВА 1. ФИЗИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ ЭЛЕКТРОННОЛУЧЕВОЙ ОБРАБОТКИ
§ 1.1. Получение свободных электронов
Электрон как устойчивая материальная частица может быть получен различными физическими способами. Свободный, не связанный с атомом электрон можно получить, если сообщить атому избыточную энергию, поглощая которую электрон переходит на более удаленные от ядра орбиты и может при этом потерять связь с ядром. Это происходит, например, при нагреве твердых тел (чаще всего металлов), которые при этом начинают испускать термоэлектроны. Процесс выхода термоэлектронов с поверхности твердых тел за счет их нагрева получил название термоэлектронной эмиссии. Плотность тока термоэлектронной эмиссии может быть определена по уравнению Ричардсона — Дэшмана:
Л=АТ2ехрг?/(Л7), (IV.1)
где /е — плотность тока эмиссии, А/м2; А= (3 ... 12) • 105 А/(м2-К2) — эмиссионная постоянная, зависящая от свойств материала и состояния поверхности; Г — температура поверхности (катода), К; е<р — работа выхода электрона из вещества, эВ; А=8-10-5 эВ/К— постоянная Больцмана.
Расчеты по уравнению Ричардсона — Дэшмана показывают, что для получения оптимальных плотностей тока на катоде (0,1... 1,5) X Х10~4 А/м2 необходимо иметь температуру катода порядка 2 400 ...2 700 К, поэтому для катодов применяют материалы с высокой температурой плавления.
Чем выше температура катода, тем меньше срок его службы. -В последнее время получили распространение катоды с малой работой выхода вф~2,6 эВ (например, у вольфрама вф=4,5 эВ). В качестве материала для таких катодов чаще всего используется то-рированный вольфрам или гексаборид лантана ЬаВб. У таких катодов необходимую плотность тока можно достичь при температуре всего в 1600... 2 000 К. При этом значительно увеличивается срок службы катода.
Сила тока эмиссии для электроннолучевых технологических установок обычно лежит в пределах 10-6... 5 А, ее значение зависит от технологического режима и определяет материал и конструкцию катода электронной пушки.
Помимо термоэмиссионных катодов в последнее время начинают получать распространение плазменные катоды, использующие электроны из плазмы газового разряда. Эти катоды не содержат накаливаемых элементов, более просты по конструкции и имеют значительно больший срок службы даже в самых тяжелых условиях эксплуатации.
§ 1.2. Ускорение электронов
' Для сообщения электронам необходимой энергии и формирования из них потока частиц с определенной энергией используют различные методы. Самый простой и наиболее распространенный
из них — ускорение электронов электрическим полем. На электрон в поле действует электростатическая сила
F—eE,
где е—1,602* 10~19 Кл — заряд электрона; Е — напряженность поля. При движении в поле с разностью потенциалов U под действием силы F электрон приобретает энергию
W=eU.
Это приращение энергии электрона происходит за счет увеличения кинетической энергии (скорости) его движения:
' (IV.2)
где /пе=9,109* 10-31 кг — масса электрона; и— конечная скорость электрона; — начальная скорость электрона. Принимая г>о=О, получаем
eU=me&l2. (IV.3)
В реальных условиях, когда масса электрона постоянна, единственным путем увеличения его энергии является повышение скорости движения, что и реализуется в электронной пушке.
Из формулы (IV.3) можно получить выражение скорости движения электрона при прохождении разности потенциалов U:
V=V (2elme\u.
Подставляя в это выражение значения заряда и массы электрона, получаем
^=593,2 УГГ, (IV.4)
где скорость v выражается в км/с, а напряжение U в В. При ускоряющем напряжении £7=1 В скорость электрона составляет 593,2 км/с. В электронных пушках напряжение U может достигать 2105 В, что позволяет разгонять электроны до значительных скоростей.
Значение ускоряющего напряжения при электроннолучевой обработке в существенной мере зависит от назначения процесса: а) низковольтные системы ((7= 15...30 кВ) наиболее просты по конструкции и в эксплуатации и применяются в основном для операций, связанных с плавлением и сваркой различных материалов; б) системы с промежуточным ускоряющим напряжением (7= = 50 ...80 кВ применяются в тех случаях, когда необходимо увеличить глубину проплавления обрабатываемого материала, например при сварке; в) высоковольтные системы (£7= 100 ... 200 кВ) являются наиболее сложными в изготовлении и эксплуатации и применяются в тех случаях, когда необходимо проведение прецизионной размерной обработки и микросварки. В промышленности наибольшее распространение получила низковольтная аппаратура.
Мощность электроннолучевых установок в зависимости от назначения колеблется в диапазоне 0,5... 100 кВт. Маломощные установки применяют для микросварки и размерной обработки, мощные— в печах для переплавки металлов в вакууме.
§ 1.3. Управление электронным лучом
Электронным лучом можно управлять с помощью электростатических или магнитных полей. На практике шире распространены магнитные системы фокусировки и управления перемещением луча.
На движущийся в магнитном поле электрон,.согласно законам электродинамики, действует сила
/7=fi^sina, (IV.5)
где В — магнитная индукция; v — скорость движения электрона; a — угол между вектором скорости движения электрона и магнитной силовой линией поля. Под действием этой силы электрон будет двигаться в магнитном поле по окружности, перпендикулярной силовым линиям поля. Траектория движения электрона под действием магнитного поля и инерционных сил выглядит в виде спирали, радиус которой зависит от начальной скорости электрона и напряженности магнитного поля.
Создавая по оси электронного луча с помощью специальной магнитной системы — магнитной линзы — магнитное поле определенной формы, можно обеспечить сходимость траекторий электронов в одной точке (фокусировку). Изменяя положение этой точки по вертикали к обрабатываемой поверхности, можно менять концентрацию энергии на обрабатываемом изделии, что представляет значительный интерес с технологической точки зрения.
Для перемещения электронного луча по обрабатываемой поверхности обычно используют его взаимодействие со скрещенными поперечными магнитными полями, создаваемыми отклоняющей системой. Благодаря малой массе электронов достаточно легко перемещать электронный луч по обрабатываемой поверхности в широком диапазоне скоростей при практически любой форме траектории.
§ 1.4. Вакуум как необходимый фактор электроннолучевой технологии
Электронный луч можно получить только в вакууме, так как за счет соударений с молекулами атмосферных газов электроны отдают им свою энергию и луч «рассеивается». Средняя длина свободного пробега электрона в газе по газокинетической теории определяется выражением
Х=4 (IV.6)
где п — молярная концентрация газа на пути движения электрона; оа — размер эффективного сечения ионизации атома (молекулы)
газа пролетающим электроном (величина оа зависит от энергии электронного луча, ее значение максимально для электронов с энергией 5 ... 200 эВ).
Для воздуха (при Т = 293 К) в зависимости от давления р средняя длина Z свободного пробега электрона составляет:
р, Па.......... 105 133 1,33 1,33-10-2
X, м........... 3,5.10-7 2,66-10-4 2,66-2 2,66
Таким образом, в зависимости от размеров промышленных установок допустимое максимальное значение давления составляет примерно 10-2 Па. На практике это значение стараются довести до 10~3... 10~5 Па, так как при худшем вакууме в электронной пушке резко увеличивается число ионизированных электронами молекул остаточных газов и это может привести к пробою промежутка между анодом и катодом.
Иногда в технологических целях, например при сварке, электронный луч выводят из вакуума в область с более высоким давлением. Путь электронов в этой области должен быть предельно мал. Пушка при этом перемещается непосредственно по свариваемому изделию, и ход луча в атмосфере (вне рабочей камеры) составляет 0,1 ... 0,3 мм. Ускоряющее напряжение составляет 150 ... 200 кВ, а в зону между пушкой и свариваемой поверхностью подается защитный газ (гелий или аргон).
§ 1.5. Взаимодействие электронного луча с веществом
Все технологические изменения материалов при осуществлении электроннолучевых процессов происходят благодаря их взаимодействию с электронами луча. В результате встречи потока электронов с обрабатываемым веществом кинетическая энергия движущихся электронов превращается в другие виды энергии.
Мощность, или плотноеть потока энергии, электронного пучка в месте встречи его с обрабатываемым материалом
Р=1Лл
где U— ускоряющее напряжение; /л — сила тока луча; т| — эффективный КПД нагрева.
Удельная поверхностная мощность луча в зоне его воздействия на вещество
P^PIS,
где S — площадь сечения луча на поверхности вещества. Величина Pq является одной из важнейших энергетических характеристик электроннолучевых процессов и в значительной мере определяет возможности электроннолучевой технологии.
При максимальном значении Ро, которое достигает 1012... 1013 Вт/м2, можно проводить размерную обработку материалов за счет их локального испарения в месте воздействия луча на изделие. При меньших значениях Pq (это сравнительно просто можно осуществить расфокусировкой луча) проводят плавку, сварку, нагрев в вакууме, а также нетермические процессы (стерилизацию»
полимеризацию и т. д.). На рис. IV.2 приведены диапазоны значений мощности и удельной поверхностной мощности Ро для наиболее важных процессов электроннолучевой технологии. Там же приведены значения ускоряющих напряжений U и диаметров d пучка в зоне обработки.
Достигая обрабатываемой поверхности, электроны пучка внедряются в вещество и тормозятся там, проходя некоторый путь. Дли-
на этого пути в метрах, определенная Б. Шенландом, выражается эмпирической формулой 6=2,1-10~8 U2I^> где р — плотность вещества, кг/м3; U — ускоряющее напряжение, кВ. Глубина проникновения электрона в вещество обычно не превышает нескольких десятков микрометров, но ее учет весьма существен при анализе взаимодействия электронов с веществом, особенно при больших значениях удельной поверхностной мощности пучка.
Проходя сквозь вещество, электроны взаимодействуют с кристаллической решеткой или отдельными атомами вещества. При этом увеличивается амплитуда колебаний составляющих вещество частиц, изменяются параметры его кристаллической решетки, повышается температура. В ряде случаев энергия, сообщенная электронами атомам, приводит к разрыву связей между отдельными атомами.
Торможение электрона в веществе сопровождается рядом различных явлений: 1) собственно нагревом поверхности, используемым в технологических целях; 2) тормозным рентгеновским излучением, возникающим при электронной бомбардировке материалов; 3) вторичной электронной эмиссией, отражением электронов и термоэлектронной эмиссией с обрабатываемой поверхности.
Нагрев обрабатываемого материала электронным лучом осуществляется за счет выделения энергии в поверхностных слоях вещества и дальнейшей теплопередачи во внутренние слои. Благодаря высокой интенсивности ввода энергии в вещество при электроннолучевой обработке на обрабатываемой поверхности развиваются столь высокие температуры, что они могут превышать точку кипения самых тугоплавких материалов.
По данным акад. Н. Н. Рыкалина, при ускоряющем напряжении U = 20 кВ и удельной поверхностной мощности Ро=Ю10 Вт/м2 за время т=10~5... 10-6 с в поверхностных слоях различных материалов развиваются следующие температуры (в скобках указаны температуры кипения), К:
Алюминий (2593) . . . 4423 Кремний (2773) .... 6273
Титан (3773)...... 5313 Никель (3273)......... 7113
Нержавеющая сталь Вольфрам (5673) . . . 15 873
(3323)............. 5373
Съем металла с обрабатываемой поверхности за счет его испарения и взрывного вскипания лежит в основе размерной электроннолучевой обработки.
При электронной бомбардировке вещества часть его атомов возбуждается и испускает тормозное рентгеновское излучение, суммарная доля которого в общем балансе выделяемой энергии Р составляет
ПХ=РХ/Р=4,4- 10-7ZZ7, (IV.7)
где Рх — мощность рентгеновского излучения; Z—атомный номер элемента; U — ускоряющее напряжение, кВ. В целях безопасности исходя из зависимости (IV.7) стараются ограничить ускоряющее напряжение до минимального уровня, при котором энергия электронов достаточна для решения поставленной технологической задачи.
Падающий на поверхность обрабатываемой заготовки электронный поток вызывает вторичную электронную эмиссию с обрабатываемой поверхности и термоэлектронную эмиссию из разогретой до высоких температур зоны обработки. Обычно теряемая при этом мощность не превышает 1% мощности электронного пучка. В ряде случаев вторичная электронная эмиссия может быть использована для контроля за нагревом и плавлением вещества, правильностью установки электронного луча на обрабатываемый участок заготовки и т. д.
Не все электроны, попадающие на обрабатываемую поверхность, поглощаются — некоторая часть из них отражается, причем тем сильнее, чем больше атомный номер элемента. Доля отраженных
электронов может достигать 40%. Отражение электронов увеличивается при отклонении оси пучка от нормали к поверхности заготовки, поэтому обработку всегда целесообразно вести лучом, перпендикулярным обрабатываемой поверхности.
Давление потока электронов ре (Па) на обрабатываемый материал определяется как отношение суммы импульсов к площади поверхности. Его находят по эмпирической формуле
^=3,5-10-6/1/77;
где / — плотность тока в луче, А/м2; U — ускоряющее напряжение, В. Расчеты по этой формуле показывают, что суммарное давле-ние электронного потока на поверхность весьма невелико. Зато реакция паров вещества, истекающих с большой скоростью при испарении, оказывает на поверхность в зоне обработки значительное давление. В связи с этим' при электроннолучевой сварке можно получить глубокое проплавление, а при электроннолучевой размерной обработке — глубокие отверстия.
ГЛАВА 2. ОСНОВНЫЕ ТЕХНОЛОГИЧЕСКИЕ ПРОЦЕССЫ ЭЛЕКТРОННОЛУЧЕВОЙ ОБРАБОТКИ
§ 2.1. Особенности электронного луча как источника энергии
Основным видом электроннолучевой обработки являются процессы, связанные с выделением теплоты в зоне взаимодействия потока электронов с заготовкой. Получают распространение и процессы нетермического типа, где электронный луч используется для интенсификации различных химических реакций, полимеризации, стерилизации продуктов питания и т. д.
Главными достоинствами электроннолучевой обработки с технологической точки зрения можно считать: 1) возможность за счет фокусировки луча плавно изменять в широких пределах удельную энергию в зоне нагрева; 2) большую мощность (от десятков ватт до мегаватт) в месте его взаимодействия с обрабатываемой заготовкой; 3) сравнительную простоту управления пространственным положением луча с помощью магнитной системы и возможность модулирования луча по мощности; 4) наличие вакуума как рабочей среды; 5) возможность получения малоразмерной (прецизионной) зоны воздействия электронного луча на обрабатываемый материал.
К недостаткам электроннолучевой технологии следует отнести прежде всего 1) необходимость обеспечивать высокий вакуум, что для ряда изделий трудно осуществимо, а также 2) сложность изготовления и эксплуатации электроннолучевого оборудования.
Все основные технологические операции электроннолучевой обработки можно условно разбить на три трупы: плавление (технологические операции локального переплава, плавка в вакууме, 12
сварка); испарение (испарение в вакууме, размерная электроннолучевая обработка); термообработка без изменения агрегатного состояния вещества.
§ 2.2. Локальный переплав
Локальный переплав обрабатываемых поверхностей с помощью электронного луча дает возможность получать чрезвычайно высокие скорости кристаллизации металла в зоне плавления. Образующиеся при этом структуры значительно отличаются от структур, получаемых в обычных условиях: расширяются границы растворимости для твердых растворов, измельчается микроструктура, значительно повышаются пластичность и твердость. Быстрое остывание расплавляемого металла приводит к последующей дополнительной закалке и за время т= 10~3... 1 с температурного цикла нагрев — охлаждение у закаливающихся сталей образуется структура мелкозернистого мартенсита с весьма высокой твердостью. Включение этих зон в более пластичный основной металл повышает износостойкость поверхности, особенно у ледебуритных сталей и чугунов. Иногда такое поверхностное оплавление материала называют «облагораживающим», что позволяет для изготовления ответственных конструкций с высокими показателями износостойкости использовать недорогие исходные металлы и сплавы.
§ 2.3. Электроннолучевая плавка
Плавка электронным лучом в вакууме применяется в тех случаях, когда необходимо выплавлять особо чистые металлы, в том числе химически активные.
Плавка электронным лучом имеет значительные преимущества по сравнению с другими способами плавки в вакууме (индукционным и дуговым), так как позволяет получать более высокий перегрев жидкого металла в ванне и наиболее полно производить дегазацию металла, отгонку летучих примесей, а также осуществлять другие физико-химические процессы, которые при иных методах плавки не успевают проходить полностью или не протекают вообще. При электроннолучевой плавке переплавляемый материал может быть использован практически в любом виде (шихта, пруток, лом, спеченные штабики, губка).
Особую роль в достижении этих целей играет наличие вакуума как защитной среды.
1. В вакууме происходит интенсивное удаление растворенных в металле газов, что значительно улучшает их механические свойства, особенно пластичность. Многие сплавы на основе титана, вольфрама, молибдена, ниобия и других химически активных металлов получили промышленное применение только благодаря тому, что их выплавляют в вакууме.
2. Некоторые из вредных примесей (нитриды, карбиды, оксиды) при нагревании в вакууме разлагаются; при этом происходит ва
куумное рафинирование переплавляемого металла. Переплавленный металл содержит меньше неметаллических вклк^чений, и это повышает эксплуатационные характеристики изготовленных из него изделий.
3. При плавке металла в вакууме все время происходит удаление газообразных продуктов из зоны реакции, вследствие чего равновесие химических реакций
МеО+С^±Ме+СО
по принципу Ле-Шателье сдвигается вправо, т. е. резко интенсифицируются раскислительные реакции. Это также дает возможность повысить качество выплавляемого в вакууме металла, значительно снизить содержание в нем газов, прежде всего кислорода.
На рис. IV.3 показаны варианты схем плавки электронным лучом 5, создаваемым пушками 4. Слиток 1 вытягивается из тигля 2 с заданной скорости» и через вакуумный шлюз удаляется из рабочей камеры. Переплавляемый металл подается в виде бруска (штабика) 3 (рис. IV.3, а) или порошка, гранул, кусочков 3 (рис. IV.3, б). Электроннолучевая плавка очень удобна для выращивания монокристаллов по схеме Чохральского (рис. IV.3, в), когда на затравку 6 наплавляется материал из тигля 2 и она вытягивается с заданной скоростью вертикально вверх.
Иногда бывает необходимо осуществлять многократный переплав материала. В этом случае применяется схема, представленная на рис. IV.4. Переплавляемый материал 1 входит в зону действия кольцевой электроннолучевой пушки 2, которая воздействует электронным лучом 3 на материал, производя его зонный переплав. Материал после выхода из зоны плавки 5 кристаллизуется, образуя слиток 4 с лучшими характеристиками. Метод электроннолучевой зонной плавки применяется в промышленности для выращивания монокристаллов. Из полученных монокристаллов германия и кремния изготовляют различные полупроводниковые приборы, а монокристаллы ниобия и вольфрама используют как конструкционные материалы при производстве ответственных узлов и деталей, работающих в экстремальных условиях.
Начиная с 60-х годов практически все тугоплавкие и химически активные металлы выплавляются в электроннолучевых печах.
В промышленности применяют электроннолучевую плавку с последующей заливкой в вакууме литейных форм. На различных элек-
\
троннолучевых установках для плавки в вакууме при давлении р= = 10-1... 10-4 Па получают слитки массой до 20 т. Как правило,
такие слиткй идут на изготовление самых ответственных узлов и де-
талей конструкций.
Возможность значительно улучшить свойства металла при электроннолучевом переплаве определила его использование и для выплавки стали. Установки, применяемые для этих целей, имеют мощность до 1200 кВт и позволяют выплавлять слитки массой до 12 т при годовом объеме выпуска до 3000 т. Слитки используются для производства валов и лопаток турбин, камер сгорания, высокоскоростных шарикоподшипников.
Рис. IV.4
Схема одного из таких технологических процессов показана на рис. IV.5. Из магазина 15 заготовки 14 для плавки через вакуумный шлюз 13 поступают*в первую вакуумную камеру 12, где электронная пушка 11 осуществляет расплавление заготовки 14. Из тигля камеры 12 по желобу 10 через вакуумный шлюз 9 металл перетекает во вторую камеру 7, где электроннолучевая пушка 8 либо задает нужный температурный режим, либо плавит металл с введением дополнительных компонентов через вакуумные шлюзы. Из тигля 6 жидкий металл 3 через вакуумный шлюз 5 по желобу 4 поступает в зону работы охлаждаемых валиков 2, которые формируют прокат 1 заданного сечения.
При электроннолучевой плавке прогрев металла в ти^ле может осуществляться либо по всей площади тигля, либо перёмещением луча по программе с заданной скоростью, обеспечивающей требуемый режим плавления металла. Последний способ применим тогда, когда размер электронного луча меньше площади тигля. При этом иногда используют несколько одновременно работающих пушек.
§ 2.4. Электроннолучевая сварка
Электроннолучевая сварка является одним из самых распространенных технологических применений электронного луча. Поскольку при сварке происходит локальное плавление с последующей
Рис. IV.6
кристаллизацией, ширина зоны расплавленного металла имеет важное значение. Кристаллизация металла в сварочной ванне в значительной мере определяет свойства металла шва, и изменение ширины зоны проплавления при сварке оказывает существенное воздействие на свойства сварного соединения. Кроме того, от объема расплавленного при сварке металла зависят деформации и напряжения, возникающие в конструкциях после сварки. Фокусировка электронного луча позволяет в широких пределах изменять ширину сварочной ванны. При относительно небольшой удельной поверхностной мощности электронного луча форма проплавления имеет такой же характер, как при традиционных процессах газовой и дуговой сварки (рис. IV.6, а). По мере увеличения удельной поверхностной мощности начинается интенсивное испарение металла с поверхности сварочной ванны. Это приводит к деформации жидкого металла под действием реакции паров, углублению сварочной ванны и получению швов с глубоким проплавлением (рис. IV.6, б). По чисто внешним признакам проплавление такого вида часто называют кинжальным. Такие швы имеют ряд преимуществ по сравнению со сварными швами традиционной формы.
Кинжальное проплавление дает возможность за один проход свариваъь без разделки кромок заготовки толщиной до 100 мм (рис. IV.7, а), в то время как при дуговой сварке для этой цели необходима разделка кромок и несколько десятков проходов. Глубокое проплавление позволяет получать сварные соединения принципиально новой формы (рис. VI.7, б), которые нельзя получить другими способами.
16 - <
Вакуум как защитная среда при сварке целого ряда химически активных и тугоплавких металлов и сплавов позволяет получать значительно более высокие показатели свойств сварного шва, чем при сварке в защитных газах. Поэтому сварные конструкции из таких материалов, как вольфрам, молибден, титан, цирконий, тантал и др., изготовляются в основном с помощью электроннолучевой
сварки.
Малый объем ванны расплавленного металла, получаемый при электроннолучевой сварке, резко снижает деформации свариваемых изделий. Открывается возмож-
ность сваривать конструкции из уже окончательно обработанных деталей с незначительной последующей размерной обработкой или вовсе без нее. Возможна также сварка термообработанных изделий, например после закалки. Зона разупрочнения в результате сварки настолько мала, что это не сказывается на работоспособности изделия в целом.
Например, при традиционных методах обработки шевронное колесо Рис-
нарезается с помощью пальцевой фрезы. Это малопроизводительный способ, который не обеспечивает требуемую точность. При использовании электроннолучевой технологии (рис. IV.8) сначала изготовляют два отдельных косозубых блока 1 и 2 (например, с помощью червячной фрезы), а затем сваривают их. Сварные шевронные зубчатые колеса устанавливают в весьма ответственных конструкциях авиационных двигателей.
Электроннолучевую сварку целесообразно применять при изготовлении толстостенных конструкций, так как за один проход можно получить проплавление глубиной до 200 ...300 мм. Преимущество метода заключается в снижении остаточных деформаций благодаря малому количеству расплавляемого металла и в сокращении времени сварки. Таким способом сваривают узлы тяжелого энергетического оборудования (атомных реакторов, бойлеров электростанций и т. д.).
Используя электроннолучевую технологию сварки, можно по-
лучать швы малых размеров в конструкциях различных радиоэлектронных схем и устройств, где сварку часто приходится вести с применением микроскопа.
Микросварка применяется для соединения элементов микросхем. Электроннолучевым способом сваривают различные выводы и контактные элементы толщиной не более 0,3 мм и проводники диаметром 10...300 мкм. Как правило, число соединений в одной микросхеме может достигать нескольких сотен. Сварка ведется с использованием микроскопа для точной наводки на место будущего со-
единения или в автоматическом режиме со сканированием луча малой мощности по всей поверхности.|В намоста
сварки наносится специальное флюоресцирующее вещество; при попадании электронного луча на место сварки светой сигнал улавливается фотоэлектронным устройством, управляющим мощностью луча. В месте сварки мощность луча резко увеличивается и происходит образование сварного соединения.
Микросварка используется в приборостроении. На рис. IV.9 показана конструкция молоточка печатного блока ЭВМ. Электрон
Рис. IV.10
нолучевая технология позволяет получить сварные соединения и в то же время устранить возможность отпуска пружин молоточка. Сварка ведется в специальном приспособлении на 300 деталей. За смену на одной установке изготовляют 1 200 деталей.
Электронным лучом в вакууме сваривают герметичные мембранные узлы приборов для измерения давления, корпуса микросхем, полупроводниковых приборов, реле.
В целях экономии дорогостоящих инструментальных сталей в промышленности с помощью электроннолучевой сварки налажено производство заготовок для ленточных пил. Лента 2 (рис. IV. 10) шириной 1 ... 3 мм из инструментальной стали сваривается с материалом полотна 1, выполненного из менее дефицитного материала (обычно вязкой конструкционной стали). При нарезке корни 3 зубьев специально доводятся до зоны более вязкого металла полотна 1, что снижает выкрашивание зубьев при эксплуатации пилы по сравнению с полотном, выполненным целиком из инструментальной стали. Установки для сварки биметаллических полотен ленточных пил работают в непрерывном режиме (скорость сварки до 6 м/мин). В некоторых установках ленточные заготовки находятся вне вакуумной камеры и подаются в нее через вакуумные шлюзы. Сваренное полотно также выводится из камеры через вакуумный шлюз с холодильником.
В автомобильной промышленности электроннолучевая сварка нашла применение при изготовлении зубчатых блоков коробок передач. С точки зрения технологичности этих узлов целесообразно изготовлять отдельные шестерни, проводить их полную термическую обработку, а затем собирать на валу и фиксировать с помощью сварки. По такой технологии производят сотни тысяч изделий в год. На предприятиях используют специализированные сварочные установки, встроенные в общий технологический цикл.
\ \
Большие перспективы для развития метода открывает сварка с помощью Электронного луча в условиях космоса. На высоте свыше* 200 км над поверхностью Земли давление составляет около 10-4 Па и там вполне возможно осуществлять электроннолучевые процессы в естественных условиях. В 1969 г. на космическом корабле «Со-юз-6» впервые были проведены эксперименты на установке «Вулкан». Наряду с другими процессами была осуществлена электроннолучевая сварка металлических образцов. Аналогичное оборудование испытывалось в 1973 г. на американской станции «Скайлэб». Сварка электронным лучом рассматривается как одив из основных процессов для монтажа и ремонта в космосе различных конструкций и агрегатов.
§ 2.5. Электроннолучевое испарение материалов
Испарение в вакууме материалов при нагреве их электронным лучом широко используют для получения тонких пленок. В отличие от других способов испарения, где энергия подводится к испаряемой поверхности через стенку тигля или высокотемпературный нагревательный элемент, при электроннолучевом испарении осуществляется прямой нагрев поверхности испаряемого материала. Это позволяет испарять материалы из водоохлаждаемых тиглей, что особенно важно при работе с химически активными и тугоплавкими материалами. Испарение материала из охлаждаемого тигля дает возможность получать покрытия высокой чистоты, поскольку при этом почти полностью исключается реакция испаряемого материала с материалом тигля, а материал тигля и продукты реакций практически не испаряются.
Важно отметить, что при электроннолучевом испарении удается управлять электронным пучком в пространстве и во времени, регулируя тем самым интенсивность ввода энергии в испаряемое вещество, а следовательно, скорость испарения и распределение плотности потоков пара.
Для процесса испарения важное значение имеет число испаренных частиц, прошедших путь до заготовки без столкновений, N = = Afoexp (—пох), где No— число частиц потока пара, испаряемых с поверхности; о — площадь эффективного сечения; п — концентрация частиц газа; х — путь, пройденный частицей до столкновения.
Расчетом можно определить, что среднее значение длины свободного пробега частицы пара до столкновения ее с молекулой газа при давлении р=10~2 Па составляет около 500 мм. Следовательно, напыляемая подложка должна находиться от испаряемой поверхности, учитывая угол рассеивания частиц по подложке, на расстоянии не более 250 мм. В этом случае практически весь испаренный материал попадет на поверхность подложки, т. е. система испарителя будет работать с высоким КПД.
Другим важным технологическим параметром является скорость испарения
^=4,4-10-^! УМ^Т ехр (- /<2/Т),
где а~1 — коэффициент испарения; /<2— коэффициенты, зависящие от материала испаряемого вещества; Л1о — матовое число испаряемого вещества; Т — температура.
Практика показывает, что скорость испарения вещества должна быть аи^0,1 ... 100 г/(м2-с). Достижение таких скоростей испарения возможно только при испарении из жидкой фазы, что и определяет конструктивные особенности испарительных установок.
Рис. IV.11
На рис. IV. 11 приведена принципиальная схема одного из вариантов построения испарительных установок для нанесения покрытий. Из бункера 5 испаряемый материал по желобу 7, приводимому в действие вибратором 6, порциями поступает в охлаждаемый тигель 9.
Траектория электронного луча 3, получаемого с помощью электронной пушки /, искривляется отклоняющей системой 2 в направлении испаряемого вещества 8. В результате воздействия луча 3 на поверхность материала 8 последний испаря
ется и частицы пара, поднимаясь вверх, оседают на поверхность подложки 4, образуя плотную пленку. Применение отклоняющего магнитного поля позволяет
располагать электронную пушку 1 практически в любом удобном месте. Угол поворота луча может достигать 270°.
Существует много вариантов схем испарения, например много- . тигельное испарение, когда на одну подложку наносят покрытие сложного состава параллельно из нескольких тиглей. При этом подложку следует располагать в месте перекрещивания потоков испаряемых материалов. Можно осуществлять испарение разных веществ и из одного тигля, если в него подают материалы из нескольких бункеров. Такими способами получают, например, тройной псевдосплав из 90% титана, 6% алюминия и 4% ванадия.
При испарении материалов наличие вакуума обеспечивает получение чистых по составу пленок и улучшает адгезию осажденной пленки.
В зависимости от назначения процесса в промышленности применяют электронные пушки мощностью от 250 Вт до 200 кВт, а производительность процесса составляет от 1 г/ч до 100 кг/ч.
Электроннолучевое испарение применяют в микроэлектронике при нанесении различных металлических покрытий на стальную ленту при изготовлении фольги из псевдосплавов сложного состава. Электронным лучом можно испарять и различные неметаллические материалы — диоксид кремния, оксид алюминия, различные виды стекла. Такие покрытия применяются в оптической промышленности и в различных областях электроники.
Типичным примером технологического использования электроннолучевого напыления является изготовление листового теплоотра-20
жающего стекла. На заготовку напыляют тонкие слои хрома, меди, а затем боросиликатного стекла. Установка для напыления стекла содержит 72 электронные пушки суммарной мощностью 3,6 МВт. Производительность установки составляет около 106 м2 листа в год.
§ 2.6. Размерная обработка электронным лучом
В результате размерной обработки электронным лучом в заготовке получают глухие или сквозные отверстия заданных размеров и заданный контур на заготовке с определенными допусками на его размеры.
Размерная обработка электронным лучом основана на том, что при достаточно большой удельной поверхностной мощности скорость испарения обрабатываемого материала и давление пара возрастают настолько, что весь жидкий металл с потоком пара выбрасывается из зоны обработки.
Использование электронного луча для размерной обработки накладывает целый ряд ограничений на его параметры. Электронный луч является постоянно действующим источником теплоты для поверхности, на которую он попадает. При образовании на заготовке вырезаемого контура ухудшается точность его размеров из-за оплавления краев. Следовательно, необходимо обеспечить строгое дозирование энергии электронного луча в месте соприкосновения его с поверхностью заготовки. Осуществить это требование при размерной обработке можно, введя либо импульсное действие электронного луча на поверхность, либо организуя перемещение луча по поверхности со строго заданной скоростью.
Таким образом можно определить три режима размерной электроннолучевой обработки.
1. Моноимпульсный режим, когда обработка ведется одиночным импульсом, т. е. отверстие получают за время действия только одного импульса.
2. Многоимпульсный режим, когда отверстие получают воздействием на заданное место заготовки несколькими импульсами.
3. Режим обработки с перемещением электронного луча по заготовке с заданной скоростью. Последний режим реально осуществим в основном для прямолинейных профилей получаемых деталей.
Параметры электроннолучевой размерной обработки связаны с физическими характеристиками материала заготовки (температурой плавления, теплоемкостью, удельной теплотой испарения, упругостью пара) и не зависят от его механических свойств (прочности, твердости, пластичности), которые обычно влияют на обрабатываемость материалов при обработке резанием. В связи с этим электронный луч нашел применение в первую очередь для размерной обработки твердых материалов — алмазов, кварца, керамики, кристаллов кремния и германия.
Образование полостей с помощью электроннолучевой размерной обработки обычно ведут в многоимпульсном режиме (время
импульса ти= Ю-7... 10“3 с, скважность #=100...200)./В периоды пауз между импульсами материал в зоне обработки Успевает охладиться до температуры, близкой к начальной температуре заготовки, и общий нагрев заготовки невелик. С увеличением числа импульсов глубина обрабатываемой полости растет по лагарифми-ческой зависимости. При очень большом числе импуль-И I VA сов скорость обработки резко уменьшается, поэтому на Ш ! га практике размерную электроннолучевую обработку га Ж обычно ведут на глубину не более 15 ... 20 мм.
Диаметр получаемого отверстия и длительность импульса тока электронного луча связаны эмпирической Рис. IV.12 зависимостью
^ОТВ -- К In
где К — коэффициент, зависящий от свойств обрабатываемого материала. Диаметр dотв зависит также от числа импульсов.
Форма продольного сечения сквозного отверстия при размерной обработке электронным лучом показана на рис. IV. 12. Кромки обычно имеют плавное скругление, а диаметр по глубине уменьшается. В ряде случаев такая форма отверстия благоприятна для работы конструкции (алмазные волочильные фильеры, часовые камни). Лучшие образцы установок для электроннолучевой размерной обработки позволяют при глубине реза до 5 мм получать уклон стенок Г.
Сфокусированный электронный луч в фокальной плоскости может иметь диаметр менее 1 мкм — съем металла производится в весьма малых количествах и на малых площадях, что трудно осуществимо традиционными способами обработки. /Минимальная ширина реза при электроннолучевой размерной обработке может достигать 5... 10 мкм, можно получать отверстия такого диаметра. Малые размеры сечения электронного луча как технологического инструмента определили его применение прежде всего в микроэлектронике для изготовления, например, микросхем с высокой плотностью монтажа, масок и трафаретов.
Важной особенностью процесса электроннолучевой размерной обработки является возможность перемещения электронного луча с помощью отклоняющей системы. В сочетании с модуляцией мощности луча это позволяет обрабатывать отверстия сложных профилей, получать на поверхности заготовок канавки различной формы, изготовлять отверстия в стеклянных и металлических пластинках, гравировать клише для глубокой печати. При этом траектория перемещения луча обычно задается в виде электрических сигналов, поступающих на отклоняющую систему. Зона перемещений луча при этом обычно ограничена размерами 10X10 мм. При необходимости обработки большей поверхности используют дополнительные механические перемещения заготовки.
Особой разновидностью размерной электроннолучевой обработки является перфорация (получение мелких сквозных отверстий) различных материалов. Перфорацией изготовляют металли
ческие и керамические элементы фильтров, пористый материал для охлаждения камер сгорания и лопаток турбин. Электронным лучом перфорируют искусственную кожу, чтобы обеспечить ее воздушную проницаемость. Производительность перфорации зависит от мощности луча и толщины заготовки и может достигать 105 отверстий в секунду.
Точность размеров и качество поверхности при размерной обработке зависят от рода материала, вида обработки, параметров про-
20 мм
20 МКМ
Рис. IV.13
Рис. IV.14
цесса и характеристик электронной пушки. Погрешность размеров при этом не превышает ±5 мкм, а шероховатость поверхности 7?z = = 5 мкм.
При жестких режимах электроннолучевой обработки, когда в зоне воздействия луча возникают значительные градиенты температур, достигающие 108 К/м, в хрупких материалах образуются микротрещины. В этом случае обычно или уменьшают удельную поверхностную мощность луча, или подогревают заготовку перед обработкой. На рис. IV.13 показан* элемент дифракционной решетки, изготовленной из нержавеющей стали толщиной 0,3 мм с помощью электронного луча. Обработка ведется при перемещении луча по заданной программе, заготовка неподвижна.
При производстве искусственных волокон широко применяются фильеры из различных твердых сплавов, керамики, стекла. Обычно фильеры выпускают диаметром до 30... 50 мм при толщине 1 ...3 мм, они могут содержать до 500 отверстий. Отверстия в фильере целесообразно выполнять не только круглой, а и более сложной формы поперечного сечения (рис. IV. 14). Каждое отдельное отверстие изготовляют перемещением, луча, а переход от одного отверстия к другому осуществляется движением стола. В микроэлектронике распространена электроннолучевая резка заготовок из полупроводниковых материалов и ферритов на отдельные малоразмерные элементы и прошивание в них отверстий.
Обработка электронным лучом получила распространение при изготовлении валков печатных машин, где глубина обрабатываемой полости обычно не превышает 15...20 мкм. Достоинством процесса является относительная простота и быстрота перевода изображения посредством модуляции мощности луча, сканирующего по обрабатываемому изделию.
§ 2.7. Термообработка
/Электроннолучевая термообработка возникла как процесс, позволяющий осуществлять локальный нагрев обрабатываемых участков поверхности с целью получения структурных превращений материала (в основном закалки) или для отжига в вакууме обрабатываемых листовых материалов для увеличения их пластичности и очистки поверхности от адсорбированных газов.
Закалка без плавления посредством электроннолучевой обработки применяется сравнительно редко, так как применение закалочных сред, увеличивающих скорость охлаждения (вода, масло), в вакууме затруднено. Однако в тех случаях, когда зона закалки должна быть достаточно малой, интенсивность теплоотвода в основной металл вполне достаточна для образования закалочных структур в зоне электроннолучевого нагрева. Закалка, в частности, применяется для упрочнения лезвий инструмента из быстрорежущей стали — ресурс работы повышается в два раза по сравнению с инструментом, закаленным обычным способом.
Термообработка листового материала или фольги обычно проводится в специализированных установках для получения материалов с покрытиями; их наносят в вакууме на обезжиренный и предварительно нагретый до 200 ...400° С металл — нагрев удобно осуществлять электронным лучом. Для равномерного нагрева материала в этом случае обычно используют сканирование луча по обрабатываемой поверхности с помощью магнитной отклоняющей системы.
ГЛАВА 3. ОБОРУДОВАНИЕ ДЛЯ ЭЛЕКТРОННОЛУЧЕВОЙ ОБРАБОТКИ
§ 3.1. Общие требования
Широкие технологические возможности электроннолучевой обработки привели к появлению в промышленности целого ряда специализированных устройств для плавки, сварки, испарения, размерной обработки. По своим параметрам это электроннолучевое оборудование может сильно различаться. Вместе с тем во всех электроннолучевых установках имеются общие системы, которые сходны по своему функциональному назначению и принципам действия. Каждая установка состоит из двух комплексов: 1) электромеханический комплекс предназначен для выполнения всех операций, не связанных непосредственно с формированием электронного луча, управлением его интенсивностью и положением; 2) в энергетический комплекс входит аппаратура, предназначенная для формирования потока электронов и управления его параметрами и положением относительно обрабатываемой заготовки.
§ 3.2. Электромеханический комплекс
В состав электромеханического комплекса входят рабочая камера, вакуумная система, системы позиционирования и перемеще
ния заготовки, системы наблюдения за ходом протекания процесса, системы защиты оператора от рентгеновского излучения и ряд вспомогательных устройств и механизмов. В зависимости от вида технологического процесса установка может содержать лишь часть перечисленных систем и устройств, причем конструктивное выполнение этих систем при их одинаковом функциональном назначении может различаться даже для установок одного назначения. Это связано прежде всего с непрерывным совершенствованием электроннолучевой техники, расширением области ее применения и большим числом организаций, ведущих работы в этой области.
Вакуумная камера как базовый элемент электроннолучевой установки определяется видом осуществляемого технологического процесса и является одним из наиболее важных и сложных узлов электромеханического комплекса. К конструкции вакуумной камеры предъявляются разнообразные требования: 1) размеры камеры должны быть достаточными для размещения обрабатываемых заготовок и вместе с тем необходимо стремиться к уменьшению объема камеры, чтобы сократить время откачки; 2) камера должна быть герметичной и одновременно должен быть обеспечен легкий доступ в рабочую зону на подготовительной стадии обработки; 3) вакуумная камера должна быть механически прочной и жесткой; 4) материал вакуумной камеры должен обладать минимальным газоотде-лением и максимально поглощать рентгеновское излучение, возникающее в зоне обработки.
В промышленности применяются вакуумные камеры различной формы и размеров (в основном цилиндрические и прямоугольные). Наиболее часто их изготовляют с помощью сварки из низкоуглеродистых конструкционных сталей, например из стали 20. Камеры установок для размерной обработки и микросварки, где остаточное магнитное поле влияет на точность позиционирования электронного луча, изготовляют из немагнитного материала, чаще всего из нержавеющей стали. Для уменьшения газоотделения внутреннюю поверхность камеры обычно полируют механическим или химическим методом.
Толщина стенок вакуумной камеры в зависимости от ее размеров обычно колеблется в пределах 10..25 мм, что при небольших размерах камеры обеспечивает достаточную прочность и жесткость. В стенках с размером более 1 X 1 м необходимо ставить ребра жесткости. Объем вакуумных камер, использующихся в промышленности, может достигать сотен кубических метров. В качестве вакуумных уплотнителей обычно используют эластичные упругие прокладки из вакуумной резины или фторопласта.
В целом ряде технологических процессов существует необходимость во время процесса вводить в камеру обрабатываемые заготовки (длинномерные трубы, ленты и т. п.). В этом случае применяются установки проходного типа, в которых устроены вакуумные шлюзы для входа и выхода заготовки. Возможная конструкция одного из таких вакуумных шлюзов приведена на рис. IV. 15.
Заготовка 1 последовательно проходит через зоны 2, 3, 4 вакуумного шлюза в .рабочую камеру 5. На„ выходе из рабочей камеры имеется еще один вакуумный шлюз 6 аналогичной конструкции. Из каждой зоны шлюза производится откачка, причем скорость откачки тем выше, чем ближе к рабочей камере находится зона. Проходя через рабочую камеру, заготовка (в данном случае лента) подвергается воздействию электронного луча 8, создаваемого пушкой 7. Все зоны шлюза снабжены уплотняющими роликами 9, которые через резиновые прокладки 10 связаны со стенками 11. При обработке труб вместо роликов используют манжетные уплотнения. Во входную зону 2 иногда вводят защитный газ.
Чтобы обрабатывать большие поверхности, ко* торые не могут поместиться целиком в рабочей камере, используют так на* зываемую шагающую камеру, которая выполнена в виде двойных сильфонных стенок, из пространства между которыми постоянно откачивается воздух. Процесс «шагания» каме*
Рис. IV.15
ры состоит в последова* тельном перемещении стенок камеры с паузой для откачки.
Основная функция вакуумной системы — создание и поддержание в рабочем объеме и в электронной пушке необходимого вакуума. Давление в зоне взаимодействия электронного луча с обрабатываемым изделием в зависимости от вида технологического процесса обычно составляет 10“1... 10~4 Па (при сварке иногда электронный -луч выводят в атмосферу). В электронной пушке, где происходит ускорение электронов, вакуум должен быть не хуже 10~3 Па — в противном случае может произойти пробой между электродами.
Учитывая, что вакуумная камера в отличие от электронных приборов не может быть абсолютно герметичной, а также что многие технологические процессы (плавка, сварка) связаны с большим га-зовыделением, вакуумная система должна функционировать в течение всего процесса обработки, причем скорость откачки может достигать нескольких тысяч литров в секунду.
На рис. IV. 16, а приведена наиболее распространенная схема вакуумной системы, позволяющая получать вакуум до 10-4 Па. Она состоит из механического форвакуумного насоса 1 и высоковакуумного паромасляного агрегата с диффузионным насосом 2. Вакуумный затвор 3 и вентили 4 служат для переключения откачиваемых объемов в зависимости от режима работы установки. При значительном газовыделении предпочитают схему, показанную на рис. IV. 16, б. В этой системе установлен бустерный паромасляный насос 5, облегчающий условия работы высоковакуумного агрегата.
Форвакуумный механический насос обеспечивает откачку вакуумной камеры от атмосферного давления до давления 10... 1 Па; пароструйный бустерный насос — до давления 10“*... 10~2 Па; диффузионный насос — до давления 10-2... 10“6 Па. Зная эти параметры насосов, выбирают схему откачки.
При работе диффузионных насосов пары рабочих жидкостей (масел) попадают в откачиваемый объем. Если по технологическим условиям наличие паров масла недопустимо, применяют насосы других типов (сорбционные, магниторазрядные, ионные, тур-бомолекулярные).
Контроль за значением вакуума обычно ведется в ходе всего технологического процесса, причем современная измерительная аппаратура позволяет вести запись изменения вакуума во времени.
Конструкция систем позиционирования и перемещения заготовок определяется видом операции. Наиболее просты устройства, применяемые при электроннолучевой плавке (вытягивание слитка); самые сложные системы используются при размерной обработке— они обеспечивают до 5...6 видов различных перемещений с погрешностью позиционирования 1... 5 мкм. При электроннолучевой обработке отсутствует механический контакт между инструментом и изделием, поэтому требования к прочности и жесткости систем перемещения ниже, чем к механическим системам металлорежущих станков.
Прямое визуальное наблюдение за процессами электроннолучевой технологии осложнено тем, что обрабатываемое изделие находится в вакууме, а также тем, что в зоне обработки генерируется рентгеновское излучение. В настоящее время для наблюдения используются смотровые окна (иллюминаторы), оптические и телевизионные системы.
Иллюминаторы электроннолучевых установок обычно выполняют из толстого стекла, выдерживающего давление атмосферного воздуха, и специального свинцового стекла для защиты от рентгеновского излучения. В процессе нагрева, плавления и испарения металла в вакууме происходит интенсивное запыление иллюминаторов, резко снижающее видимость. Для борьбы с этим явлением применяют специальные вращающиеся защитные диски и барабаны, бленды, прозрачные пленки, перематывающиеся по мере их запыления.
При ускоряющих напряжениях U> 100 кВ и силе тока луча />5А, чтобы снизить уровень излучения до допустимой нормы, толщина свинцового стекла должна быть более 50 мм, что технически трудновыполнимо. В этих случаях применяют оптические системы, позволяющие наблюдать за рабочей зоной на значительном расстоянии (или при большом увеличении). Эти системы могут устанавливаться вне камеры (у иллюминаторов) или встраиваться в конструкцию электронной пушки (для чего обычно используется бинокулярный микроскоп).
Последнее время получили распространение телевизионные системы наблюдения, обеспечивающие качественную передачу изображения на расстояние и дающие возможность наблюдения за объектом, находящимся в труднодоступном месте. Телевизионное наблюдение можно осуществлять в видимой и инфракрасной части спектра — это особенно удобно, если процесс связан с нагревом обрабатываемого изделия. При применении телевизионных систем можно наилучшим образом защитить оператора от рентгеновского излучения.
§ 3.3. Энергетический комплекс
Энергетический комплекс электроннолучевой установки состоит обычно из электронной пушки с блоком питания и управления лучом. Современные электронные пушки, применяемые для технологических целей, являются сложными приборами, созданными на основе последних достижений физической электроники.
В зависимости от назначения конструкции электронных пушек могут быть самыми различными. Они могут быть размером со ста- ' кан для питья, а могут достигать в диаметре и в высоту нескольких: метров.
На рис. IV.17 приведен пример одного из наиболее распространенных конструктивных решений пушки. На высоковольтном изоляторе 1 укреплена юстирующая система 2, которая благодаря сильфонному переходу 3 позволяет изменять положение катодного узла 5 относительно оси корпуса 4 пушки. Это необходимо при совмещении электрических осей фокусирующей магнитной линзы Ю и катушек системы 12 отклонения электронного луча 11с осью самого электронного луча. Источник электронов — катод 7 подогревается элементом 6, а напряжение, подаваемое на анод 8, задает электронам необходимое ускорение. В процессе работы элементы пушки нагреваются, и в ней предусмотрены каналы 9 иг 13 для водяного охлаждения анода 8 и систем 10 и 12 управления лучом.
Юстировочное перемещение катодного узла можно производить не только поперек оси, но и вдоль нее и по углу. Объем пушки связан с вакуумной системой.
Для сварки в настоящее время применяют малогабаритные подвижные пушки (рис. IV. 18), которые могут перемещаться в вакууме относительно неподвижного изделия — это особенно удобно для изготовления крупногабаритных изделий сложной формы. В подвижных электронных пушках особые требования предъявляются к высоковольтному кабелю, соединяющему пушку с источником питания, так как кабель в процессе обработки деформируется и может 28
соприкасаться с поверхностью вакуумной камеры. Перемещения пушки осуществляются либо манипулятором по программе, либо по направляющим салазкам.
Основными факторами, определяющими пригодность пушки для работы, являются работоспособность ее катодного узла — ис
точника электронов — и получение электронного луча с требуемой удельной мощностью в фокальном пятне и получение фокального пятна необходимых размеров.
Существует два основных типа 5 катодов электронных пушек: катод прямого накала (рис. IV. 19, а), у которого тело самого катода 3 через токосъемники 2 подключается к кабелю 1 и катод нагревается за счет джоулевой теплоты, и подогревной катод (рис. IV. 19, б), у которого тело катода 3 подвергается, например, электронной бомбардировке от работы дополительного катода 1, установленного в корпусе 2. В подогревном катоде удается получить более равномерную по поверхности плотность тока эмиссии и более высокие параметры электронного луча.
Система для разгона электронов, состоящая из катода и расположенного на некотором расстоянии от не
10
И
'2
3
Вакуумный насос
3
9
го анода, называется прожектором.
Наибольшее распространение получил трехэлектродный прожек
Рис. 1V.18
Рис. IV.17
Рис. IV.19
тор (рис. IV.20, а), где помимо катода 1 и анода 3 имеется уп~ равляющий электрод 2, позволяющий подобно сетке в электронной лампе управлять силой тока пушки. При работе в импульсном ре-
.жиме на этот электрод подается запирающее напряжение, из-за гчего его иногда называют модулятором.
При ускоряющем напряжении (7>50 ... 60 кВ для уменьшения «вероятности пробоя промежутка анод — катод электронный луч 5 (рис. IV.20, б) целесообразно получать с помощью электронно-оп-
Рис. IV.20
тической системы с ускорительной трубкой 4. Заряженная частица, проходя пространство катод 1 — управляющий электрод 2 — анод 3, получает дополнительную энергию в однородном электрическом поле, распределенном вдоль оси трубки 4. Такая система обычно используется в устройствах для микросварки и размерной обработки, где важно получать пучки малого диаметра.
Блок питания электроннолучевой установки служит для подачи высокого напряжения на электроды и для управления образую
щимся электронным лучом. Блоки .питания обычно специализированы и выпускаются для опреде-
ленных технологических процессов в комплекте с электронной пуш-жой. Они являются базой энергетического комплекса установки.
Рис. IV.21
На рис. IV.21 представлена функциональная схема блока питания электроннолучевой установки. Важным требованием к блоку питания является высокая стабильность ускоряющего напряжения: при изменении напряжения питания на +5... —10% ускоряющее напряжение не должно изменяться больше чем на 0,5... 1 %, при этом сила тока электронного пучка изменяется на 0,5%. В серийно выпускаемых источниках питания диапазоны регулирования стаби
лизированного напряжения и силы тока пучка разбиваются на несколько поддиапазонов, внутри которых можно плавно регулировать эти параметры.
Поддержание заданного значения ускоряющего напряжения производится, например, сведением к минимуму разницы сигналов напряжения на электродах с заданным значением путем регулирования сопротивления магнитного усилителя источника питания.
Сила тока электронного пучка зависит от многих как конструктивных, так и технологических факторов: от ускоряющего напряжения, от параметров катода, от работы магнитных линз и др. В связи с этим в электронной пушке и блоке питания вводится блок стабилизации силы тока пучка. Здесь также используется схема сравнения сигналов и производится управление запирающим потенциалом на управляющем электроде пушки. Измерение силы тока пучка может осуществляться по значению сопротивления, включаемого в цепь заготовка — земля (заготовка в этом случае должна быть изолирована от стенок камеры). Подавая на заготовку небольшой дополнительный потенциал, можно значительно снизить влияние на точность измерения вторичной электронной эмиссии’ с поверхности заготовки.
Очень важное значение имеет момент окончания обработки, когда необходимо плавно «погасить» электронный луч. В этом случае используется блок плавного вывода тока луча, который автоматически по заданному закону снижает ток электронного луча.
Регулирование силы тока электронного луча в соответствии с задачами технологии происходит в блоке модуляции электронного* луча. При этом возможны два принципиальных пути регулирования силы тока: а) выключением ускоряющего напряжения или б) подачей на управляющий электрод пушки дополнительного напряжения (как в трехэлектродной лампе).
Блок питания отклоняющих и фокусирующих систем по заданной программе изменяет силу тока в катушках фокусирующей или отклоняющей систем. Тем самым производятся перемещения точки встречи луча с заготовкой по необходимой траектории. В электроннолучевых установках (особенно для размерной обработки и сварки) широко используется автоматическое управление положением электронного пучка. Существует два основных направления автоматизации.
1. Автоматический поиск и отслеживание места обработки, например стыка при сварке. Такие системы работают на основе физических. эффектов, возникающих при взаимодействии электронного луча с веществом (вторичная электронная эмиссия, свечение специальных составов, наносимых на изделие в требуемом месте).
2. Программируемое автоматическое перемещение электронного луча по обрабатываемому изделию, где кроме перемещения луча можно программировать его мощность и фокусировку. Чаще всего для этой цели используют системы числового программного управления, связанные непосредственно с отклоняющей системой электронной пушки.
Первый способ применяют, если точное место обработки неизвестно. Места обработки покрывают, например, люминофором и производят сканирование (считывание) лучом небольшой мощности поверхности заготовки. При попадании электронного луча в место обработки люминофор начинает резко светиться. Это свечение улавливается фотодатчиком, установленным в зоне прохождения луча, и подается команда в блок модуляции силы тока луча, который увеличивает мощность луча до значения, необходимого для обработки.
§ 3.4. Техника безопасности при электроннолучевой обработке
Требования к помещениям. Электроннолучевые установки рекомендуется размещать в отдельных помещениях или специально •отведенных местах в общих цехах или залах, где нет источников пыли. Помещения должны быть сухими и отапливаемыми с приточно-вытяжной вентиляцией.
Механические насосы целесообразно выносить в отдельное помещение с хорошей звукоизоляцией. Воздух, отсасываемый насосами, должен выводиться в атмосферу с соблюдением всех требований к вентиляционным устройствам.
Электрическая безопасность. Все электроннолучевое оборудование должно удовлетворять «Правилам устройства электрических установок», а его эксплуатация должна вестись в соответствии с требованиями «Правил технической эксплуатации и безопасности обслуживания электроустановок промышленных предприятий» (рассмотренных, например, в гл. 1) и местных инструкций, разрабатываемых администрацией.
Защита от рентгеновского излучения. Уровни рентгеновского излучения на рабочих местах не должны превышать значений, допускаемых для лиц, относящихся к категории «Б» (непосредственно не работающих с радиоактивными веществами и источниками ионизирующих излучений). Допустимая мощность поглощенной дозы рентгеновского излучения для обслуживающего персонала лежит в пределах (2,7... 69,4) • 10”10 Гр/с (в зависимости от условий работы и вида дозиметрического контроля), что требует специальных защитных мер. Защита от излучения должна конструктивно входить в состав установки. Расчет защиты проводится по значениям максимального ускоряющего напряжения и максимальной силы тока.
Должна быть исключена возможность проникновения рентгеновского излучения в местах вводов, стыках отдельных частей установки и через уплотнения.
При ускоряющих напряжениях до 60 кВ для защиты от рентгеновского излучения обычно достаточно толщины стенок вакуумной камеры, выбранной по конструктивным соображениям. В смотровых окнах при этом необходимо применять свинцовое стекло толщиной не менее 20... 25 мм.
Начиная с напряжений 80... 100 кВ, уровень рентгеновского излучения становится достаточно высоким и приходится применять дополнительную защиту в виде специальных поглощающих экранов. Чаще всего такие экраны изготовляют из свинца. Непосредственное наблюдение через иллюминаторы за процессом обработки в этом случае стараются не проводить, а используют специальные телевизионные или перископические системы. Место оператора следует располагать в стороне от электронной пушки и ввода в камеру различных коммуникаций.
Обязательно проведение дозиметрического контроля работы установки не менее одного раза в год и при каждом изменении конструкции и режима работы установки. Измерение проводится при максимальных ускоряющем напряжении и силе тока при обработке материалов наибольшей плотности. Обслуживающий персонал подвергается регулярному дозиметрическому контролю и пользуется определенными льготами, связанными с профессиональной вредностью.
В последнее время для электроннолучевых установок с высоким уровнем радиационного излучения все чаще используются системы дистанционного наблюдения и управления.
Требования взрывобезопасности. Конструкция вакуумной системы и правила ее эксплуатации должны исключать попадание воздуха и воды в зону взаимодействия электронного луча с обрабатываемым изделием, а также в паромасляные насосы, находящиеся в разогретом состоянии. Должны быть предусмотрены средства аварийной сигнализации при нарушении вакуумного режима и средства аварийного блокирования паром асляного насоса.
Работа электроннолучевых установок может проводиться при наличии в данном помещении не менее двух лиц обслуживающего персонала. Эти лица должны проходить-специальный инструктаж не реже одного раза в 6 месяцев.
Часть V
СВЕТОЛУЧЕВАЯ ОБРАБОТКА МАТЕРИАЛОВ
ВВЕДЕНИЕ
Свет как источник энергии издавна привлекал к себе внимание человечества. По мере развития науки и техники различные физические явления, связанные со световым излучением, находят все более широкое применение в научных и промышленных целях.
Создание волновой теории света и усовершенствование технологии изготовления оптических линз, стекол и зеркал позволили создать целый ряд разнообразных оптических приборов. Была установлена принципиальная возможность фокусирования светового потока на относительно небольших поверхностях и получения высоких удельных плотностей энергии, достаточных для нагрева и плавления различных материалов. В качестве источника светового излучения использовалось Солнце. Устройства для технологического использования солнечной энергии в земных условиях имеют до сих пор сугубо экспериментальный характер; они требуют непрерывного слежения за перемещающимся относительно Земли Солнцем, и их функционирование зависит от состояния атмосферы. Тем не менее возможность использования «даровой» солнечной энергии, попадающей на земную поверхность (около 400 Вт/м2), стимулирует развитие различных способов ее преобразования в другие виды энергии (прежде всего в тепловую и электрическую).
Дальнейшее изучение физической природы светового излучения привело к открытию его квантового характера, что позволило осуществить новый подход к получению световой энергии. В начале XX в. у физиков сложилось мнение, что обычный полихроматический свет (представляющий собой смесь волн разной длины) может быть получен излучением нагретых тел или из электрическо- ' го газового разряда. В 1917 г. А. Эйнштейн, изучая равновесие между энергией атомных систем и их излучением, высказал предположение, что световые волны строго определенной длины можно получить за счет индуцированного (вынужденного) излучения атомов и молекул вещества. Это положение, по сути, послужило основой для создания нового направления науки и техники — квантовой электроники. Квантовая электроника изучает различные эффекты, связанные с получением и применением электромагнитных колебаний оптического диапазона. Особую ценность представляет получение когерентного (монохроматического) света, т. е. световой волны строго определенной длины.
В 1940 г. советский ученый В. А. Фабрикант впервые экспериментально подтвердил выдвинутое А. Эйнштейном положение об индуцированном излучении, а в 1952 г. был предложен новый принцип генерации и усиления сверхвысокочастотных электромагнит-нитных колебаний на основе использования индуцированного излучения. В СССР это открытие принадлежит Н. Г. Басову и А. М. Прохорову, в США — Ч. Таунсу, Д. Гордону и X. Цайгеру, в Канаде — Д. Веберу. Были созданы квантовые генераторы и усилители волн сантиметрового и дециметрового диапазонов, известные сейчас под названием мазеров.
В 1960 г. в результате многочисленных теоретических исследований был разработан первый образец оптического квантового генератора (ОКГ), в котором в качестве рабочего тела был использован синтетический рубин. Ученые и инженеры дали ОКГ название лазер по первым буквам английского выражения Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation (усиление света с помощью индуцированного излучения). Оба термина — ОКГ и лазер — тождественны и используются в литературе как синонимы.
В 1961 г. был создан газовый лазер с активным рабочим телом, состоящим из смеси гелия и неона. Газовые ОКГ в настоящее время являются наиболее мощными из семейства лазеров, они позволяют получать непрерывное излучение мощностью до сотен киловатт.
Дальнейшие исследования привели к разработке полупроводниковых лазеров, где излучение возникает в р-п-переходе и возбуждается непосредственно электрическим* током.
В качестве рабочего вещества в лазерах могут быть использованы самые разнообразные материалы: кристаллы, активированные стекла, пластмассы, газы, жидкости, полупроводники, плазма. Рабочий диапазон излучения ОКГ охватывает область от ультрафиолетового л = 0,3 мкм до инфракрасного Х=300 мкм.
Сразу после создания лазеры стали широко применяться в различных исследованиях по передаче информации и связи, для измерения расстояний с большой точностью. Особое место занимает лазерная технология — группа процессов, использующих мощное излучение ОКГ для нагрева, плавления, испарения, сварки и резки материалов. В настоящее время ОКГ рассматривается как один из наиболее перспективных лучевых источников энергии.
По плотности потока энергии (до 1013 Вт/м2), по возможностям управления лазерным лучом и возможности осуществления процесса в самых различных средах лазер, по крайней мере сейчас, не имеет себе равных.
ГЛАВА 1. ФИЗИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ ПОЛУЧЕНИЯ И ПРИМЕНЕНИЯ СВЕТОЛУЧЕВЫХ ИСТОЧНИКОВ ЭНЕРГИИ
§ 1.1. Полихроматический свет и его использование для технологических целей
Обычное световое излучение — полихроматический свет — состоит из различных частот, лежащих в диапазоне видимой части спектра. По длинам волн Л(мкм) диапазон светового излучения условно делится на несколько областей:
Инфракрасная.......................
Красная............................
Оранжевая..........................
Желтая.............................
Зеленая ...........................
Голубая ...........................
Синяя .............................
Фиолетовая.........................
Ультрафиолетовая...................
750 .. 0,76 .. 0,62 ..
0,59 .. 0,56 .. 0,50 ..
0,48 ..
0,45 ..
0,4 ..
.. 0,76
.. 0,62
.. 0,59
.. 0,55
.. 0,50
.. 0,48
.. 0,45
.. 0,40
.. 0,005
Полихроматическое излучение возникает в результате нагрева тел, когда возбуждаются составляющие их атомы и электроны при переходе с дальних орбит на ближние излучают электромагнитные колебания в области оптического диапазона. Это излучение происходит в виде отдельных порций — квантов, или фотонов. Энергия фотона в джоулях
e=Av,
где Л = 6,625-10“34 Дж-с — постоянная Планка; v — частота излечения, Гц.
В обычных условиях атомы вещества излучают одновременно кванты различной энергии, так как переход электронов с одних орбит на другие не носит организованного характера. В зависимости от температуры тела изменяется его энергетическая светимость, которая, по закону Стефана — Больцмана, пропорциональна четвертой степени термодинамической температуры тела (Л4 = оГ4), и по мере увеличения температуры спектральный максимум излучения сдвигается в сторону более коротковолновой части спектра (рис. V.1).
Поскольку применение энергии света для тех или иных технологических процессов требует фокусировки луча, полихроматичность играет в данном случае отрицательную роль. Полихроматический свет, проходя через линзу, фокусируется в виде пятна довольно значительных размеров dn, так как волны разной длины м и (рис. V.2) имеют различный коэффициент преломления. Это явление носит название хроматической аберрации и ограничивает возможности полихроматических источников.
Размер dn фокального пятна определяется дифракцией — минимальное пятно равно длине волны X (для оптического диапазона «1 мкм). Из-за полихроматичности этот размер увеличивается до 36
последние имеют отклонения
сотен и тысяч микрометров. В результате максимальная плотность энергии в пятне нагрева не превышает 107 Вт/м2, что соизмеримо с нагревом от пламени газовой горелки и в 104... 105 раз меньше, чем для монохроматического луча лазера. Фокусировка ухудшается еще и в связи с тем, что применяются фокусирующие линзы со сферическими поверхностями (сферическая аберрация), а при использовании фокусирующих зеркал от требуемой геометрии поверхности. Уменьшению фокального пятна препятствует и то, что светящееся тело обычно имеет конечные размеры и проецируется в виде определенной геометрической фигуры.
Система линз диаметром 75 ... ... 120 мм обычно не дает возможность получить в фокусе пятно диаметром dn<l ... 2 мм, а сферическое зеркало диаметром 1 м фокусирует солнечные лучи в пятно диаметром ^п^20 ... 60 мм (в зависимости от качества зеркала). Геометрические размеры зон нагрева могут быть уменьшены за счет применения различных диафрагм, но при этом резко снижается КПД процесса нагрева.
В промышленности используют световую энергию не Солнца, а специальных высокоинтенсивных источников света в виде ламп накаливания или дуговых газоразрядных
ламп. Эти лампы изготовляют специально для технологических целей, они имеют мощность до нескольких десятков киловатт и выполняются в корпусах из плавленого термостойкого кварца, из-за чего их иногда называют «кварцевыми». Кварцевые лампы накаливания без систем фокусировки позволяют нагревать обрабатываемые поверхности до температур 600 ... 1200 К, а газоразрядные лампы с системами фокусировки — до 1800 ... 2000 К, что вполне до
статочно для плавления ряда материалов.
Нагрев полихроматическим светом применяется в промышленности в различных печах для сушки и термообработки изделий, пайки, иногда для сварки легкоплавких материалов. Если процесс ведется в вакууме или защитной газовой среде, свет вводится в камеру через специальный (обычно кварцевый) иллюминатор. Основными достоинствами такого вида нагрева считаются отсутствие механического воздействия на заготовку и возможность плавного
регулирования температуры.
Энергия солнца используется в основном при проведении исследований в космосе. На космических аппаратах устанавливают сол
нечные батареи, в которых энергия излучения непосредственно преобразуется в электрическую. Электрическая энергия в дальнейшем •может быть использована и в технологических целях.
§ 1.2. Когерентное излучение
Обычный полихроматический свет, излучаемый нагретыми телами, состоит из набора волн с различной частотой, фазы которых хаотично изменяются во времени. Проводя аналогию с радиосвязью, он подобен «шуму» в отличие от радиоволн, генерируемых радиостанциями.
При распространении любой электромагнитной волны (в том числе и света) в пространстве создается переменное электрическое поле напряженностью Е и магнитное поле напряженностью Н. В каждый момент времени т в некоторой точке пространства значения величин Е и Н связаны зависимостью
E=Eosin [2л (vt— х/Х)+<р];
H=HQcos [2л (vt—x/X)-[-?],
тде Eq и HQ— амплитуды волны; v — частота; <р — фаза; К = с1х — длина волны (с—скорость света). Если частота v и длина волны! постоянны и не зависят от времени т, «волна монохроматична. Немонохроматическое колебание можно представить в виде суммы (конечной или бесконечной) идеальных монохроматических колебаний. Чем выше монохроматичность, тем в меньшем интервале группируются частоты его монохроматических составляющих.
Если амплитуда, частота, фаза, направление распространения и поляризация электромагнитной волны постоянны во времени или изменяются по определенному закону, то такая волна когерент-□^а^ Монохроматичная волна всегда когерентна, а когерентность "двух немонохроматических волн означает, что они обладают одинаковым набором частот и разность их фаз постоянна во времени.
С помощью когерентных электромагнитных колебаний оптического диапазона благодаря их высокой частоте можно передавать по оптическому каналу связи гораздо больше информации, чем по радиоканалу. Чем короче длина волны, тем меньше расходимость параллельных пучков энергии этих волн. Это обстоятельство используют при локации и определении расстояний до предметов.
Для технологических применений лучи света необходимо сфокусировать на минимально возможной площади. Для монохроматического излучения теоретически достижимый диаметр сфокусированного луча составляет 0,4 ... 1 мкм, но из-за отсутствия идеальной монохроматичности и когерентности луча этот диаметр несколько больше. Монохроматический свет достаточной энергии получить с помощью обычных источников невозможно. С 1 км2 поверхности Солнца в малом интервале частот 109 Гц (Х^1 мкм) на всю поверхность Земли падает всего 0,01 Вт энергии излучения, и увеличить эту долю энергии можно, лишь значительно увеличив температуру излучающего объекта.
Чтобы получить источники мощного когерентного света, физики пытались создать различные устройства, аналогичные тем, которые применяются для генерации радиоволн, т. е. объемные резонаторы. Размеры резонатора должны быть соизмеримы с длиной волны, что в случае волн оптического диапазона трудно осуществимо. Получить когерентное световое излучение удалось средствами квантовой электроники.
: [Возбужденные
___-вп > уровни ___--___________
ег
с Основной
---------------уровень
Рис. V.3
с отдельными молекулами колебаний их резонансные сложными микросистемами,
§ 1.3. Получение когерентного излучения
Квантовая электроника оперирует и атомами, используя для генерации свойства. Атомы, молекулы являются состоящими из ядер и электронов. Энергия относительного движения частиц, составляющих атом или молекулу, может принимать только строго определенные значения. Эти значения энергии ei, 82, &k называются уровнями энергии (рис. V.3). Система энергетических уровней составляет энергетический спектр атома; нижний уровень с минимальной энергией ei называется основным, а остальные — возбужденными. Энергетический спектр атома зависит от его структуры, а число атомов, обладающих данной энергией, называется населенностью уровня.
Если атому, находящемуся на основном уровне 81, сообщать энергию, он может перейти на один из возбужденных уровней. Наоборот, возбужденный атом может самопроизвольно (спонтанно) перейти на один из нижележащих уровней, излучив при этом определенную порцию энергии в виде фотона. Если излучение происходит при переходе атома с уровня ет на уровень еп (рис. V.3), то частота испускаемого фотона
= —(V.1)
Такие спонтанные процессы излучения происходят в нагретых телах. Нагрев переводит часть атомов в возбужденное состояние, и при переходе на нижние уровни они излучают свет. Это излучение атомов происходит независимо друг от друга. Кванты света хаотически испускаются атомами в виде так называемых волновых цугов, которые не согласованы друг с другом во времени (имеют различную фазу). Поэтому спонтанное излучение некогерентно.
Кроме спонтанного излучения возбужденного атома может происходить индуцированное (вынужденное) излучение, когда атомы начинают излучать энергию под действием внешнего электромаг-
нитного поля. Существование вынужденного излучения дает возможность управлять излучением атомов с помощью электромагнитных колебаний и таким путем усиливать или генерировать когерентное световое излучение.
Чтобы на практике получить когерентное излучение, должен быть выполнен ряд требований.
1. Необходим резонанс — совпадение частоты падающего света с одной из частот vmn энергетического спектра атома. При этом переход с верхнего уровня ет на нижний уровень еп будет соответствовать переходу между теми же уровнями других атомов.
2. Наряду с вынужденным излучением света атомами, находящимися на верхнем уровне 8m, происходит резонансное поглощение энергии атомами, находящимися на нижнем уровне 8П. При этом атом, переходя на более высокий уровень 8m, поглощает световой квант, что препятствует генерации. Для генерации когерентного света необходимо, чтобы число атомов на верхнем уровне 8т было бы больше числа атомов на нижнем уровне еп. В естественных условиях на более высоком уровне при любой температуре всегда находится меньше частиц, чем на более низком. Для возбуждения когерентного излучения надо принять специальные меры, чтобы из двух выбранных уровней верхний был населен больше, чем нижний. Такое состояние вещества в физике называется активным или состоянием с инверсной (обращенной) населенностью.
3. В процессе генерации часть излучаемой световой энергии должна все время оставаться внутри рабочего вещества, вызывая вынужденное излучение все новых атомов, осуществляя положительную обратную связь. Это обычно выполняется с помощью зер-кал, одно из которых отражает всю падающую на него энергию, а другое является полупрозрачным. Часть энергии оно пропускает (полезная энергия), а часть отражает. Эта вторая часть служит для вовлечения в генерацию новых порций рабочего вещества.
4. Усиление, даваемое рабочим веществом, должно превышать некоторое пороговое значение, зависящее от коэффициента отражения полупрозрачного зеркала. Чем меньше этот коэффициент, тем больше должно быть пороговое усиление рабочего вещества, иначе колебания в рабочем веществе затухнут.
§ 1.4. Основные схемы О КГ
Любой ОКГ независимо от конструктивного выполнения содержит следующие основные элементы: 1) рабочее тело (вещество), состоящее из ансамбля атомов или молекул, для которых может быть создана инверсия населенностей; 2) систему, позволяющую осуществлять инверсию. Ее обычно называют системой накачки, она может функционировать за счет различных физических явлений; 3) оптический резонатор, который служит для осуществления взаимодействия излучения с рабочим веществом и в котором происходит отбор энергии от ансамбля генерирующих излу-40
чение частиц; 4) устройство для вывода энергии из резонатора; 5) систему управления концентрацией энергии и пространственным положением полученного пучка света; 6) различные специальные системы, связанные с конкретным применением ОКГ.
Для инверсии населенности в ОКГ применяют следующие виды накачки: а) оптическую накачку за счет облучения вещества мощным световым потоком; б) электрическую накачку, осуществляемую при прохождении через вещество электрического тока; в) химическую накачку, когда инверсия возникает за счет химической реакции, в которой принимает участие рабочее вещество.
В зависимости от режима работы ОКГ делятся на устройства, работающие в непрерывном и импульсно-периодическом режимах.
По типу применяемого рабочего вещества различают твердотельные, газовые, жидкостные и полупроводниковые ОКГ.
В твердотельных ОКГ в качестве рабочего вещества используют твердые тела (синтетический рубин, иттриево-алюминиевый гранат, неодимовое стекло).
Синтетический рубин представляет собой искусственно выращенный кристалл оксида алюминия AI2O3, в который вводятся и равномерно распределяются по объему атомы хрома в количестве 0,05% массы кристалла. Примесь хрома придает рубину характерный розово-красный цвет. Атомы хрома в кристалле рубина являются оптически активными элементами и генерируют когерентное излучение в видимой части спектра с длиной волны %= = 0,6943 мкм (красный свет).
Иттриево-алюминиевый гранат (ИАГ)—синтетический кристалл, который в качестве оптически активных атомов содержит примеси неодима, хрома, туллия или гольмия. В зависимости от рода примесей он генерирует излучение с длинами волн 2ii = l,O6 мкм, Х2=2,0132 мкм и Х3=2,123 мкм. Все эти длины волн находятся в инфракрасной части спектра.
Неодимовое стекло представляет собой аморфное вещество, в котором равномерно распределены атомы редкоземельного элемента — неодима. ОКГ на неодимовом стекле генерирует излучение с длиной волны %= 1,06 мкм, лежащей в инфракрасной части спектра. Неодимовое стекло проще в изготовлении и обработке, чем рубин или ИАГ. Из него можно изготовлять стержни больших размеров и более высокой однородности, хотя по прочности оно уступает рубину.
Схема твердотельного ОКГ приведена на рис. V.4. Стержень 2, изготовленный из рабочего вещества, помещается между двумя зеркалами 1, 3. Зеркало J полностью отражает все падающие на него лучи, а зеркало 3 является полупрозрачным. Для накачки энергии используется газоразрядная лампа-вспышка 4, которая для большей эффективности облучения кристалла помещается вместе с ним внутрь отражающего кожуха 5 с поперечным сечением в форме эллипса. При размещении лампы и кристалла в фокусах эллипса создаются наилучшие условия равномерного освещения кристалла. Питание лампы-вспышки обычно осуществляется от специальной высоковольтной батареи 6 конденсаторов.
Для рубина поглощаемая кристаллом мощность накачки составляет примерно 2 кВт на 1 см3 объема кристалла. Коэффициент использования световой энергии лампы-вспышки составляет 10... 15%, поэтому ее мощность должна составлять десятки, а то и сотни киловатт.
Не вся энергия, поглощенная стержнем, превращается в энергию излучения ОКГ. Значительная ее часть (40... 70%) превращается
Рис. V.5
в теплоту и идет на нагрев стержня. При нагреве рабочего тела изменяются энергетические уровни оптически активных атомов и по достижении некоторой предельной температуры генерация когерентного излучения прекращается. Кроме того, нагрев стержня приводит к возникновению в нем термических напряжений, из-за чего может произойти разрушение стержня. Поэтому в большинстве конструкций твердотельных ОКГ предусматривается охлаждение рабочего тела воздухом, водой или жидким азотом.
При разряде батареи конденсаторов лампа дает интенсивную вспышку полихроматического света. Световое излучение воздействует на активные атомы оптического резонатора, которые, поглощая энергию накачки, возбуждаются и затем при переходе на низшие энергетические уровни генерируют собственное излучение.
Для рубинового ОКГ схема энергетических уровней хрома в оксиде алюминия приведена на рис. V.5. При оптической накачке происходит поглощение зеленого и голубого цветов в довольно широкой полосе частот на уровнях 3 и 4 и последующий переход возбужденных атомов в более низкое энергетическое состояние на уровень 2. Время жизни уровней 3 и 4 значительно меньше времени жизни уровня 2, и состояние атома на этом уровне называется ме-тастабильным. Таким образом, все атомы хрома после возбуждения задерживаются некоторое время (~3-10~3 с) на уровне 2, что обеспечивает инверсию населенностей между уровнями 1 и 2. При переходе с уровня 2 на уровень 1 происходит генерация когерентного излучения в видимой красной части спектра. Такая схема генерации носит название трехуровневой.
В действительности для рубина уровень 2 состоит из двух близких подуровней с разностью частот 870 Гц (рис. V.5). Фактически могут излучаться волны двух длин: =0,6943 мкм и Л2=0,6929 мкм с шириной каждой линии 0,0006 мкм. Обычно ОКГ на рубине излучает только волну длиной 0,6943 мкм.
Начавшееся в рабочем теле ОКГ излучение распространяется по всему объему стержня-резонатора и из-за многократного отражения от зеркал вовлекает в процесс генерации когерентного излучения все оптически активные атомы.
Часть когерентного излучения выходит через полупрозрачное зеркало из резонатора. Диаметр светового пучка примерно равен диаметру резонатора, удельная же плотность потока энергии в этом пучке относительно невелика, и для увеличения удельных энергетических показателей луча его фокусируют с помощью обычных объективов. Иногда для удобства передачи энергии луч пред
варительно отклоняют с помощью системы зеркал или призм.
Генерация излучения твердотельным ОКГ будет длиться при облучении его лампой-вспышкой до тех пор, пока мощность энергии накачки не станет меньше порогового значения, необходимого для поддержания генерации. Частота повторения импульса света лампы-вспышки зависит от времени зарядки батареи конденсаторов, а также от условий охлаждения стержня резонатора. Излучение ОКГ имеет сложную структуру (рис. V.6) и состоит из множества отдельных импульсов — «пичков» — длительностью до 10~6 с с интервалами между ними 3-10”6... 10-5 с.
Суммарная мощность твердотельного ОКГ, например рубинового, при энергии импульса лампы до нескольких десятков джоулей и частоте их повторения до нескольких десятков герц может достигать десятков киловатт (длина стержня при этом составляет 200 ...250 мм, диаметр 15 мм).
Лазеры с рабочим телом на неодимовом стекле, работающие по четырехуровневой схеме, получили наибольшее распространение благодаря высокой технологичности. Неодимовое стекло имеет сиреневую окраску благодаря введению в него при варке примеси неодима с концентрацией 1019 см~3. В связи с тем что неодимовое стекло имеет значительно меньшую теплопроводность, чем рубин, ОКГ с его использованием требуют эффективных систем охлаждения и имеют большие ограничения по частоте следования импульсов.
Специально для использования в лазерной технике был разработан иттриево-алюминиевый гранат (ИАГ) с концентрацией примеси неодима 1,4-1020 см-3. Удельная мощность излучения таких лазеров значительно выше, чем стеклянных. Кроме того, лазер с ИАГ может работать как в импульсно-периодическом, так и в непрерывном режиме.
В газовых ОКГ в качестве рабочего тела используют газообразные вещества, причем накачка, как правило, осуществляется за счет эффектов, связанных с прохождением электрического тока через газ. В качестве активных газов в ОКГ применяют аргон, неон, криптон, ксенон, смеси гелия и неона, углекислый газ с примесью азота и гелия.
2
Рис. V.7
Газовые ОКГ подразделяются на три большие группы: лазеры на атомных, ионных и молекулярных переходах.
Примером атомного лазера является гелиево-неоновый ОКГ (рис. V.7). Длины волн генерируемого когерентного излучения лежат в видимой (Xi = 0,633 мкм) и в инфракрасной (Х2 = 1,15 мкм и Аз = 3,39 мкм) частях спектра. Газоразрядная трубка 1 этого ОКГ заполняется гелием и неоном с парциальными давлениями соответственно 133 и 13 Па. От источника высокого напряжения 2 в трубке создается высоковольтный электрический разряд 5, который возбуждает атомы гелия и неона за счет соударений с электронами. Излучение выходит через полупрозрачное зеркало 4. Гелиево-неоновый ОКГ имеет сравнительно небольшую мощность, но из-за простоты устройства, надежности и достаточно высоких параметров излучения он получил широкое распространение.
В ионных газовых ОКГ используются переходы между энергетическими уровнями ионов благородных газов (ксенона, аргона, неона, криптона), а также фосфора, серы и хлора. Типичным представителем этой группы является аргоновый лазер, который по конструкции похож на гелиево-неоновый ОКГ. Наполнение газоразрядной трубки — аргон под давлением в несколько десятков паскалей. Мощность ОКГ этой группы выше, чем лазеров на атомных переходах. Газовый ОКГ, например на аргоне, генерирует излучение с длинами волн М = 0,4880 мкм и ^2=0,5145 мкм в видимой сине-зеленой части спектра с мощностью излучения до 150 ... 500 Вт в непрерывном режиме.
Наибольшую мощность и КПД имеют газовые ОКГ, генерирующие колебания на молекулярных переходах. К этой группе 44
относят ОКГ на основе углекислого газа. Молекулы СОг возбуждаются ударами электронов в газовом разряде, причем для увеличения мощности добавляют молекулярный азот Nj. При этом происходит резонансная передача энергии от возбужденных молекул N2 молекулам СОг. Соотношение парциальных давлений СОг и Nz обычно выбирается в пределах 1/1... 1/5 при суммарном рабочем
давлении в несколько сотен паскалей. Мощность лазеров еще больше повышается при добавлении к смеси гелия. ОКГ на основе СОг имеет весьма высокий КПД (теоретически — до 40%, практически — 8... 30%).
В газовом разряде часть молекул диссоци ируют по схеме
Рис. V.8
со2—со 4-о
Продукты диссоциации снижают эффективность генерации и со временем уменьшают мощность ОКГ. Поэтому мощные лазеры работают при непрерывной подаче свежего газа или имеют специальные системы окисления оксида углерода. Повышение температуры рабочего газа приводит к резкому снижению выходной мощности ОКГ, из-за чего необходимо интенсивно охлаждать рабочую смесь.
Схема ОКГ на СО2 приведена на рис. V.8. Электрический разряд возбуждается в охлаждаемой стеклянной газоразрядной трубке 3 диаметром до 60 мм. Использование трубок большего диаметра (свыше 80 ... 100 мм) неэффективно из-за ухудшения теплопередачи из внутренней области трубки к ее периферийной охлаждаемой части. Разряд возбуждается между электродами 1 с помощью высоковольтного источника питания 2. Излучение с длиной волны Х=10,6 мкм выводится через окно 4 из материала, пропускающего инфракрасные лучи, например из кристаллов КВг, NaCl или германия.
При схеме ОКГ с продольной прокачкой газа, как показано на рис. V.8, с 1 м длины резонатора можно снимать мощность не более 50 Вт; для получения большей мощности приходится значительно увеличивать длину трубы резонатора. Уменьшение габаритов ОКГ может быть достигнуто за счет использования многотрубных систем (рис. V.9), в которых луч с помощью зеркал 1 последовательно проходит через все трубки 2. При большом количестве зеркал в многотрубной системе резко возрастают потери, поэтому более 15 труб в одном ОКГ не применяют. ОКГ на СО2 с 15 трубами общей длиной 200 м развивает в режиме непрерывной генерации мощность 8,8 кВт при КПД порядка 15%.
Наиболее эффективными лазерами на СО2 являются системы с поперечной относительно направления электрического тока продувкой газа (рис. V.10). В этой разновидности газового ОКГ ис
пользуют интенсивную прокачку газа 1 через объем резонатора 2 с охлаждением его в теплообменнике 5. Электрический разряд возбуждается между анодной плитой и секционированным катодом.
В качестве рабочего газа используется смесь СО2—N2—Не в объемном соотношении 1:20:20 при статическом давлении в раз-
Рис. V.9
Рис. V.1Q
рядной камере 5... 8 кПа. Расход газовой смеси через разрядную камеру, обеспечиваемый мощными насосами, составляет 2...3 м3/с. В этом типе ОКГ можно’ получить съем мощности до 16 Вт с 1 см3 газа при КПД до 17%. Электроразрядные лазеры с поперечной прокачкой газа работают в непрерыв-
ней осуществляется при
ном режиме генерации и развивают мощность до 50 кВт.
Одним из основных параметров, определяющих мощность ' излучения -газового ОКГ, является концентрация активных молекул. В связи с этим ведутся исследования газовых ОКГ, работающих при давлениях, превышающих атмосферное. Накачка энер-помощи электрического разряда в газе,
причем для равномерного распределения разряда в межэлектрод-
ном пространстве производится предварительная ионизация газа. Лазеры такого типа называются электро-ионизационными. Ионизация рабочего газа осуществляется ультрафиолетовым облучением или с помощью электронного пучка. ОКГ такого типа работают в импульсном режиме. Лазер на СО2 дает энергию импульса 50 ... 60 Дж с 1 дм3 объема газа. КПД таких устройств составляет 10 ... 20%.
Полупроводниковые ОКГ генерируют когерентное излучение за счет процессов, происходящих в р-п-переходе. На рис. V.11 показана схема полупроводникового ОКГ на арсениде галлия. Верхняя часть 1 кристалла имеет проводимость p-типа, нижняя 2 — п-типа. Между ними образован р-п-переход 5 толщиной около 0,1 мкм. Излучающий слой имеет несколько большую толщину («1.. 2 мкм) из-за проникновения электронов и дырок за область перехода. Вы
воды 3, 6 служат для подачи питающего напряжения; один из них (нижний) може1 выполнять функции теплоотвода.
При подаче на выводы напряжения р-п-переход генерирует излучение 4 с длинами волн 2ц = 0,82 мкм и Х2 = 0,9 мкм (инфракрасная область); для других материалов длины генерируемых волн могут иметь другие значения — от ультрафиолетовой до инфракрасной области.
Чтобы полупроводниковый ОКГ работал в непрерывном режиме генерации, кристалл необходимо охлаждать до криогенных температур. Мощность излучения ОКГ на арсениде галлия при температуре жидкого азота в импульсно-периодическом режиме составляет 100 Вт, в непрерывном режиме— 10 Вт. Лучшие образцы полупроводниковых ОКГ могут работать при нормальных температурах.
Малые геометрические размеры и простота конструкции полупроводниковых ОКГ позволяют собирать решетки или линейки из большого числа отдельных лазеров. Такие решетки могут иметь мощность непрерывного излучения в несколько десятков ватт и пиковую импульсную мощность до нескольких киловатт при КПД около 20%.
Кроме перечисленных схем развиваются жидкостные лазеры. В них в качестве рабочего тела используют растворы неорганических соединений редкоземельных элементов или органических красителей. В ОКГ этого типа удачно решается вопрос охлаждения рабочего тела при циркуляции его через теплообменник.
§ 1.5. Управление излучением ОКГ
Наиболее характерными параметрами излучения ОКГ, управление которыми дает возможность получать определенные эффекты, можно считать: 1) мощность излучения для ОКГ непрерывного действия или энергию излучения и время импульса для устройств, работающих в импульсном режиме; 2) длину волны излучения; 3) плотность лучистого потока; 4) изменение положения луча во времени.
Приборы управления параметрами излучения могут быть встроены в конструкцию лазера или могут находиться вне ее, будучи выполненными в виде отдельных функциональных блоков.
Выбор типа и конструкции лазера прежде всего должен обеспечивать получение необходимой мощности или энергии луча. Для управления этими параметрами прежде всего используется модуляция интенсивности накачки за счет изменения тока разряда лампы-вспышки в твердотельных лазерах, изменения тока в разрядной камере — в газовых лазерах и за счет изменения тока, текущего через р-п-переход,— в полупроводниковых ОКГ инжекционного типа. Однако при изменении интенсивности накачки одновременно с изменением мощности луча изменяются и другие его параметры — состав излучения и распределение интенсивности по поперечному сечению луча. В твердотельных ОКГ при изменении
энергии накачки сильно изменяется временная структура излучения.
Удобнее управлять интенсивностью излучения ОКГ с помощью способов, использующих двойное лучепреломление в кристаллах. После прохождения через специальную призму ^1уч поляризуется, а изменение плотности потока производится с помощью другой призмы, которая вращается относительно плоскости поляризации луча. Применение этого метода ограничивается оптической прочностью призм, которые разрушаются при больщих плотностях энергии.
Для высокочастотной модуляции излучения используется ячейка Поккелъса. Основным элементом этой ячейки являются кристаллы KDP (дигидрофосфат калия КН2РО4), LiNbOa, GaAs или другие подобные кристаллические вещества. При приложении к кристаллу электрического поля изменяется угол его оптической поляризации. При пропускании прошедшего через кристалл луча через поляризационную призму возможна его модуляция по амплитуде с частотой изменения электрического поля. Промышленность серийно выпускает электрооптические модуляторы, работающие в диапазоне длин волн А = 0,35... 16 мкм. Инерционность этих модуляторов весьма мала, и частота модуляции луча может достигать десятков гигагерц.
Длина волны излучения обычно строго фиксирована и зависит от типа рабочего вещества, схемы и конструкции ОКГ. Рабочая частота излучения определяет особенности его взаимодействия с веществом, возможности фокусирования и отклонения луча. К настоящему времени разработаны ОКГ с плавным изменением частоты, которое осуществляется при пропускании когерентного излучения через специальные кристаллические системы на основе ниоба-та лития, титаната бария и др. При использовании в качестве источника ОКГ на иттриево-алюминиевом гранате созданы параметрические генераторы с плавной перестройкой частоты в диапазоне длин волн 0,55... 3,65 мкм.
Фокусирование излучения ОКГ, как правило, проводится в технологических целях, когда надо резко увеличить плотность лучистого потока в пятне нагрева. Диаметр пучка, выходящего из резонатора ОКГ, обычно равен 5... 80 мм и для его фокусировки чаще всего используется система линз, реже — сферических зеркал. В диапазоне длин волн 1,06 мкм (например, у лазера на неодимовом стекле) для этой цели можно использовать стеклянную оптику. При более длинноволновом излучении (например, 10,6 мкм для лазера на СО2) происходит его интенсивное поглощение стеклом и оптика должна быть изготовлена из материалов на основе кристаллов NaCl или КВг. Эти материалы плохо поддаются обработке, поэтому для фокусировки в длинноволновом диапазоне излучения чаще используют сферические зеркала. В целях уменьшения деформации зеркал при нагреве излучением их часто выполняют водоохлаждаемыми из меди с золоченой отражающей поверхностью.
Управление перемещением лазерного луча в пространстве достигается применением систем сканирования. В лазерных сканирующих системах используется большое количество приемов, позволяющих развернуть луч в пространстве. В механических системах развертки используют призмы и зеркала, приводимые во вращательное или колебательное движение с помощью вибраторов и пьезоэлементов. Как правило, механические системы инерционны и не обеспечивают большой скорости развертки.
Более высокую скорость и точность развертки обеспечивают системы, использующие электро-, магнито- и акустооптические элементы. Наибольшее распространение получил электрооптический метод, позволяющий получать высокие скорости отклонения и высокую разрешающую способность. Сущность этого метода состоит в том, что приложенное к электрооптическому элементу (кристаллу) электрическое поле вызывает изменение показателя преломления в направлении, перпендикулярном направлению распространения пучка света, а это искривляет его траекторию. В качестве кристаллов используются те же вещества, что и в системах модуляции излучения.
§ 1.6. Взаимодействие излучения ОКГ с веществом
Отражение и поглощение излучения. Некоторая часть падающего на поверхность вещества потока лучистой световой энергии поглощается, а другая его часть отражается. Доля отраженной энергии зависит от длины волны излучения и состояния поверхности вещества. В табл. V.1 приведены значения коэффициентов отражения (при полном отражении этот коэффициент равен 1) для неокисленных полированных поверхностей различных металлов.
Таблица V.1
Рабочее тело ОКГ Au Ag Си Мо AI Сг Fe N1
Аргон (Х=0,488 мкм) . 0,415 0,952 0,437 0,455 0,597
Рубин (%=0,6943 мкм) Неодимовое стекло (Х= 0,930 0,961 0,831 0,498 — 0,555 0,575 0,676
= 1,06 мкм) Углекислый газ (Л = 0,981 0,964 0,901 0,582 0,733 0,570 0,650 0,741
= 10,6 мкм) 0,975 0,989 0,984 0,945 0,970 0,930 0,924 0,941
Значительная доля светового потока отражается от поверхности, и КПД передачи энергии потоком света значительно меньше, чем электронным лучом.
Для поверхностей, покрытых окислами и имеющих большую шероховатость, значение коэффициента отражения уменьшается. Можно добиться того, что от 20 до 40% энергии светового потока будет поглощено веществом. Еще большего поглощения энергии
можно добиться при нанесении на поверхность веществ с малыми коэффициентами отражения (газовая сажа, краска). В этом случае, однако, возможно взаимодействие нанесенного вещества с основным материалом, что не всегда допустимо.
Энергия поглощенного веществом излучения передается электронам, в связи с чем глубина проникновения световой энергии в вещество соответствует средней длине их пробега. Для большинства веществ эта глубина составляет (5 ...50) -10~3 мкм. Дальнейшая передача энергии из этой зоны в глубь вещества осуществляется за счет теплопроводности. В отличие от электронного луча энергия светового излучения при взаимодействии с веществом в основном превращается в теплоту, а доля возникающего при этом рентгеновского излучения пренебрежимо мала.
Световой поток относительно небольшой плотности может произвести на поверхности лишь весьма ограниченные изменения: экспозицию специальных светочувствительных материалов или «выцветание» некоторых красок. При более высокой плотности потока, что достаточно просто достигается его фокусировкой, возможен нагрев и плавление поверхностных слоев материала. Чем больше плотность потока, тем больше глубина проплавления, а начиная с некоторого значения происходит испарение вещества. При дальнейшем повышении концентрации энергии доля испаренного вещества начинает резко увеличиваться, образуются отдельные капли и частички вещества, которые за счет действия паров выбрасываются из зоны обработки.
Повышение плотности лучистого потока до максимально достижимого уровня (примерно 1016 Вт/м2 для лучших систем фокусирования) приводит к интенсивному испарению вещества (при минимальном количестве жидкой фазы) с выносом его в виде паров из зоны обработки. Для некоторых веществ возможно сублимационное испарение, т. е. переход из твердого состояния сразу в парообразное.
Если ОКГ работает в импульсном режиме, то чем короче импульс при той же его энергии, тем меньшая часть энергии расходуется на теплопроводность. Поэтому процессы размерной обработки с помощью ОКГ целесообразнее всего вести в импульсном режиме с минимально достижимой длительностью импульса (в реальных условиях до 10“6... 10-9 с).
При обработке хрупких материалов (стекло, керамика, кремний, германий и др.) концентрированным излучением ОКГ возможно образование поверхностных микротрещин по линии действия излучения. Образование микротрешин вызвано значительными термическими напряжениями в зоне воздействия луча. В ходе дальнейшей обработки материал легко раскалывается по линии его нагрева при приложении незначительных усилий. Такой способ находит применение при резке хрупких материалов.
Образование «лазерной искры». При достаточно высокой концентрации энергии в фокальном пятне луча ОКГ может возникнуть «лазерная искра». Это явление обычно возникает в газах при атмос
ферном давлении и внешне напоминает высокочастотный электрический разряд, из-за чего оно и получило свое название.
Физической основой образования «лазерной искры» является возникновение в фокальном пятне термической плазмы, температура которой может достигать 106 К. Неравномерность распределения по объему плазмы заряженных частиц приводит к резкой неравномер- [Излучение
ности распределения электрического f окг
потенциала в этом объеме и, как I
следствие, к электрическому пробою. S'
Пробой имеет характер взрыва и со-провождается яркой вспышкой. На '7777777/777^^/,Л7^/////,
образование «лазерной искры» расходуется большая доля энергии из- Рис- v-12
лучения ОКГ, и в ряде случаев ее образование нарушает ход технологического процесса, например лазерной сварки.
Для устранения «лазерной искры» прибегают к обдуву фокального пятна потоком газа по схеме, приведенной на рис. V.12. Поток газа (чаще всего гелия) охлаждает плазму, уносит часть электропроводных паров материала и снижает вероятность пробоя в зоне обработки.'Кроме того, уменьшается поглощение излучения ОКГ плазмой в зоне обработки, чго повышает КПД процесса.
ГЛАВА 2. ТЕХНОЛОГИЯ СВЕТОЛУЧЕВОЙ ОБРАБОТКИ МАТЕРИАЛОВ
2.1. Технологические особенности излучения ОКГ
Первоначально когерентное излучение ОКГ рассматривалось в науке и технике как средство для получения и передачи информации. Мощность излучения, используемого для этих целей, невелика и колеблется от нескольких милливатт до нескольких ватт. Для этих целей подходят маломощные газовые, твердотельные или полупроводниковые ОКГ сравнительно небольших размеров.
Перспективы технологического применения когерентного светового излучения привели к созданию ОКГ (в основном газовых и твердотельных), имеющих мощность непрерывного излучения до нескольких сотен киловатт и энергию отдельного импульса (при работе в импульсном режиме) до нескольких сотен джоулей. Хотя эти системы имеют большие габариты, потребляют значительную мощность, сложны в изготовлении и эксплуатации, использование мощных ОКГ дает целый ряд технологических преимуществ, что и определяет их широкое применение.
1. Энергию в виде светового луча можно передавать на расстояние (в том числе и через прозрачную разделительную перегородку или по специальному световоду).
2. Отсутствует механический и электрический контакт между источником энергии с изделием в месте обработки.
3. Высокая концентрация энергии в пятне нагрева при «острой» фокусировке.
4. ЛАожно плавно регулировать плотность лучистого потока в пятне нагрева за счет изменения фокусировки луча.
5. Высокие температуры в зоне воздействия излучения.
6. Можно получать как импульсы энергии весьма малой длительности (до 10“9 с), так и непрерывное излучение.
7. Малые размеры (до нескольких мкм) зон обработки.
8. Можно перемещать луч с высокой точностью и скоростью с помощью систем развертки при неподвижном объекте обработки.
9. Мощность луча можно модулировать по требуемому закону.
10. Технологический процесс можно вести в любой оптически прозрачной среде.
Указанные особенности лазерного излучения во многом совпадают с особенностями применения электронных пучков, что определяет близость технологических возможностей этих методов обработки.
л § 2.2. Ограничение использования лазерной технологии
Промышленные ОКГ появились уже после начала широкого использования электроннолучевых установок. Поскольку технологические возможности лазерных и электроннолучевых процессов обработки во многом близки, промышленное внедрение лазерной технологии проводилось для тех видов обработки, где невозможно обеспечение высокого вакуума (микросварка, сварка изделий с наполнителями). В дальнейшем твердотельные и отпаянные газовые ОКГ получили в промышленности достаточно широкое распространение, вытеснив в некоторых случаях электроннолучевые установки.
Мощные газовые ОКГ проточного типа до сих пор не имеют широкого применения из-за сложности в изготовлении и эксплуатации. При мощности непрерывного излучения’ более 1...5 кВт в настоящее время наиболее целесообразно использование электрон-. нолучевого нагрева.
§ 2.3. Нагрев
Нагрев излучением ОКГ может вестись в широком диапазоне температур и удельных тепловых потоков. При этом круг возможностей ОКГ шире, чем у электронного луча. Однако специфика самого процесса получения когерентного излучения и сложность оборудования мощных ОКГ привели к тому, что использование лазеров для энергоемких процессов, например плавки, не получило распространения. Здесь доминируют более простые по оборудованию электроннолучевой и плазменный методы, имеющие, кроме того, более высокий КПД.
Поверхностную термообработку с использованием ОКГ можно проводить для отдельных зон поверхности с последующим их охлаждением с помощью практически любых охлаждающих сред (вода, воздух, эмульсия и т. д.). Это позволяет избирательно термоуп-рочнять поверхность изделий из склонных к закалке материалов (чугуны, стали).
Нагрев излучением ОКГ для закалки выгодно использовать для таких изделий, как шейки валов и осей, гильзы, вкладыши, зубья шестерен и т. д. По сравнению с закалкой токами высокой частоты здесь не требуется изготовлять для каждого изделия специальный индуктор, можно получать более узкие зоны закаленного материала. Твердость поверхностных слоев стали и чугуна после закалки излучением ОКГ возрастает в 3...5 раз, что резко увеличивает износостойкость деталей даже из низколегированных материалов. По сравнению с индукционной закалкой производительность труда повышается на 70...90%.
^-^Нагрев излучением ОКГ применяется для отжига фольги в раз-I личных средах при большой скорости ее движения.
Нагрев без плавления узкой зоны обрабатываемого материала с помощью излучения ОКГ приводит к образованию в этой зоне тер-j мических напряжений, уровень которых может быть достаточно • высоким. В хрупких материалах это приводит к образованию микро-' трещин и может быть использовано в целях разделения заго-
—-
По аналогии с процессом скрайбирования, где алмазным или твердосплавным инструментом наносится риска, инициирующая дальнейшее разрушение материала по линии ее нанесения, процесс разделения хрупких материалов с местным лазерным нагревом получил название лазерное скрайбирование. Он применяется для резки стекла, керамики, пластин из полупроводниковых материалов. Процесс характеризуется малой шириной зоны реза, имеет высокую производительность и достаточно высокую точность (погрешность при резке не превышает 30 мкм).
Резка полупроводниковых пластин с интегральными микросхемами и заготовок кристаллов из германия и кремния в промышленных масштабах с помощью лазерного скрайбирования дает значительно меньший процент брака (около 0,5%) против 15...20 % при алмазном скрайбировании. Пластина кремния диаметром 50 мм разделяется лазерным скрайбированием на элементы размером 1.2Х1,2 мм за 2 мин с учетом всех вспомогательных операций. Рез имеет малую ширину («10...20 мкм) и ровный край.
Под воздействием лазерного излучения в ряде материалов (например, в стекле) можно создавать направленные термические напряжения, приводящие к управляемому термораскалыванию. Этот процесс более производителен, чем лазерное скрайбирование, и позволяет получать резы криволинейной конфигурации. Мощность излучения лазера на СОг, обычно применяемого для этой цели, не превышает 10... 100 Вт, скорость резки деталей из стекла, ситалла, керамики поликор толщиной 1...5 мм достигает 35 мм/с.
Особенно целесообразно применение этого процесса в стекольной промышленности при резке стеклопрофилита, где помимо повышения производительности резко снижается процент брака.
§ 2.4. Плавление
Локальный переплав поверхностных слоев обрабатываемого материала осуществляется с целью повышения их эксплуатационных характеристик (прежде всего твердости). Нагрев излучением ОКГ до плавления и затем быстрое охлаждение и кристаллизация небольших объемов металла приводят к образованию структур, которые в обычных условиях получить нельзя.^' Для массивных деталей необходимая ско-
рость охлаждения может рис VJ3 Рис VJ4 быть получена просто за
счет теплоотвода в обрабатываемый материал.
Для изделий из чугуна и высокоуглеродистой стали целесообразен не сплошной поверхностный переплав, а создание зоны проплавления в виде отдельных линий, сеток, спиралей и т. д. В этом случае удается сочетать прочность и пластичность основного материала (матрицы) с повышенной твердостью и износостойкостью переплавленных зон, причем вкрапление этих зон в более пластичный основной материал увеличивает их прочность и снижает склонность к трещинообразованию. Подобная технология получает распространение для изготовления направляющих, опор, поверхностей трения и т. д. Наиболее целесообразно осуществлять этот процесс для материалов типа чугунов и низколегированных сталей, где можно получить значительное повышение твердости переплавляемого материала при сравнительно простом и недефицитном по ле
гирующим компонентам его составе. - —- -----------
/^Лазерная сварка как технологический процесс, связанный с локальным плавлением, находит все более широкое применение, конкурируя как с традиционными способами сварки, так и с электронно-дДучевой^сваркой^Импульсные твердотельные ОКГ применяются для сварки малогабаритных деталей, где важно получать швы с минимальным разогревом окружающего зону сварки материала. Применяют как точечную, так и шовную сварку герметичными швами, получаемыми перекрытием отдельных точек. Сварка импульсным ОКГ применяется при изготовлении герметичных корпусов различных конструкций из тонколистовых материалов толщиной 0,1... 1,0 мм (рис. V.13) Сравнительно небольшой разогрев свариваемого изделия позволяет осуществлять герметизацию корпусов, заполненных
различными веществами, нагрев которых может привести их в негодность. Например, таким образом герметизируются корпуса малогабаритных герметичных кадмий-никелевых аккумуляторов, наполненных щелочным электролитом.
Герметизация лазерной сваркой корпусов различных микросхем и полупроводниковых приборов обычно осуществляется в инертной среде (чаще всего в гелии, который затем используется для контроля герметичности соединения). Процесс ведется в импульсном режиме с помощью твердотельных ОКГ с энергией импульса 1...5 Дж отдельными перекрывающими друг друга точками. Такая схема ведения процесса обеспечивает минимальный общий нагрев изделия и минимальное тепловое воздействие на заключенные в корпус полупроводниковые приборы.
Микросварка импульсным излучением твердотельных ОКГ применяется при монтаже навесных элементов в гибридных микросхемах, монтаже интегральных микросхем на платы, при сборке элементов радиоламп. Типичные формы соединений приведены на рис. V.14. Диаметр соединяемых проводников круглого сечения — 0,05...1,0 мм, толщина плоских выводов — 0,03...0,5 мм. Выполненная лазером сварная точка хорошо фиксируется визуально, и по характеру проплавления и формирования этой точки можно косвен: но судить о качестве сварного соединения, что невозможно для контактной и термокомпрессионной сварок, применяющихся для этих же целей.
Некоторые электронные приборы (электроннолучевые трубки, электронно-оптические преобразователи и т. д.) целесообразно собирать, вакуумировать, а затем после настройки фиксировать взаимное расположение их узлов с помощью сварки. Для этой цели используется излучение ОКГ с длиной волны 1,06 мкм, для которой герметичный стеклянный корпус прибора прозрачен.
Мощные газовые ОКГ непрерывного излучения позволяют проплавлять за один проход металл на значительную толщину. Экспериментально установлено, что для стали толщиной до 5 мм требуется 1 кВт мощности излучения на 1 мм глубины проплавления. При большой толщине свариваемых кромок зависимость мощности от глубины проплавления становится нелинейной и для сварки деталей толщиной более 20 мм требуются уже весьма мощные ОКГ, потребляющие сотни киловатт. Электроннолучевая сварка позволяет сваривать за один проход кромки значительно большей толщины (до 200 мм) при меньшей потребляемой мощности.
Сварка лазером дает узкий шов «кинжального» типа с малыми деформациями свариваемых деталей, что позволяет применять этот способ для соединения окончательно обработанных узлов и деталей.
В автомобилестроении ОКГ непрерывного излучения на СОг с выходной мощностью до 10 кВт нашли применение для сварки деталей кузова, шестерен коробки передач, карданного вала. Применение лазерной сварки при изготовлении карданного вала, например, в 2...3 раза увеличивает производительность процесса по срав
нению с дуговой сваркой и снижает деформации вилки кардана настолько, что исключает необходимость всякой дополнительной; механической обработки.
-^"Сварка неметаллических материалов (стекла керамики и др.) осуществляется за счет хорошего поглощения ими излучения с .большой длиной волны (например, Х=10,6 мкм у лазера на СОг). По сравнению с газопламенным нагревом, обычно используемым для сварки и пайки стекла, излучение ОКГ позволяет увеличить скорость нагрева места сварки или пайки (но не более 80... 100 К/с из-за возможности термического растрескивания) и уменьшить зону нагрева. По такой технологии изготовляют стеклянные корпуса» термометров, где капилляр вваривается в оболочку и осуществляется заварка донышка. Операция проводится на специализированном полуавтомате.
ОКГ на СО2 мощностью 100 Вт используется в промышленно* сти для вварки ножек пальчиковых ламп и для сварки стеклянных: и кварцевых труб диаметром до 200 мм с толщиной стенки до 6 мм.
§ 2.5. Резка и размерная обработка
Резка и размерная обработка с использованием излучения ОКГ' являются наиболее распространенной в промышленности группой технологических процессов, основанных на применении энергии когерентных световых потоков.
—РезкаГлтатериалов концентрированным излучением ОКГ может быть основана на локальном плавлении материала и его дальнейшем удалении под действием силы тяжести, конвективного потока или газовой струи. Пары перегретого материала могут удаляться из зоны реза за счет собственной упругости и дополнительно стружен инертного газа, процесс разрезания в этом случае может прово-дйться15олее эффективно. В том случае, если разрезаемый материал содержит связанную или кристаллизационную воду (органические соединения, минералы), интенсивный локальный нагрев излучением ОКГ приводит к разрыву молекулярных связей и испарению воды. Внутри материала может возникнуть высокое давление, что приводит к образованию микротрещин и выбросу частиц материала. Аналогично протекает процесс разрезания пористых материалов, содержащих газы, и химических соединений, деструктирующих с образованием газообразных продуктов (слоистые пластики, дерево и др.).'
Эффективность резки может быть значительно повышена за счет введения в зону обработки газа, например, кислорода. Экзотермическая реакция между разрезаемым материалом и кислородом значительно увеличивает выделение энергии в месте взаимодействия излучения с материалом. На этом принципе основан процесс газолазерной резки (ГЛР), схема которой приведена на рис. V.15. Кислород в этом процессе: 1) за счет реакции окисления обеспечивает выделение основной части энергии, необходимой для резки; 2) значительно увеличивает поглощающую способность материала за счет создания на его поверхности оксидов, имеющих мень-
алий коэффициент отражения; 3) снижает поверхностное натяжение расплавленных металлов, имеющих жидкотекучие оксиды; 4) струя газа под давлением способствует удалению расплавленных оксидов из зоны реза; 5) охлаждает кромки разрезанного материала.
Максимальная толщина заготовок при газолазерной резке ОКГ непрерывного действия на СОг мощностью 5 кВт составляет:
'Низко углерод и ста я Легированные
сталь стали
др 10 мм до 6 мм
Никелевые сплавы до 5 мм
Титан
до 10 мм
Металлы, образующие тугоплавкие оксиды с большой вязкостью, плохо поддаются газолазерной резке, так как затруднено удаление оксидов из зоны реза. К таким металлам относятся алюминий и его сплавы, магний, латунь, хром и др. Их выгоднее резать плазменной резкой.
Подача газа в зону резки целесообразна и при лазерной резке диэлектриков. У горючих материалов поток инертного газа охлаждает кромки реза и поверхность образца, предотвращая термическое повреждение и возгорание. Ширина реза при ГЛР зависит в первую очередь от диаметра фокального пятна, од
нако слишком малое расстояние между образующимися кромками реза может препятствовать вытеканию расплава.
Скорость резки материалов излучением ОКГ определяется целым рядом различных факторов, главными из которых являются мощность излучения, толщина и материал заготовки, расход и давление газа, а также характер его взаимодействия с разрезаемым материалом. С точки зрения эксплуатационных особенностей оборудования в промышленности для резки в основном нашли применение газовые ОКГ непрерывного излучения мощностью до 1 кВт. Значения скорости разрезания некоторых материалов на действующих промышленных установках приведены в табл. V.2.
Скорость газолазерной резки в ряде случаев значительно больше, чем при других способах резки, что и определяет эффективность применения процесса ГЛР в промышленности. Машины для ГЛР оснащаются специальными программными устройствами цифрового типа или системами фотокопирования и используются для вырезки изделий со сложными фигурными контурами. Например, специализированная лазерная установка для раскроя ткани позволяет с помощью газового ОКГ мощностью 250 Вт раскраивать за один час материал на 20...25 мужских костюмов.
Таблица V.2
Материал То ящика, мм Мощность излучения, Вг Скорость резания, м/мин Газ
Низкоуглеродистая сталь 0,5 250 3,635 Кислород
1,0 100 1,6 »
1,2 400 4,6 »
2,2 850 1,8 »
Углеродистая сталь 3,0 400 1,7 »
Неожавеющая сталь 0,5 250 2,6 »
1,0 100 0,94 »
2,5 400 1,27 »
9,0 850 0,36 »
4,7 20000 1,27 »
Титан 0,5 850 3,24 »
0,6 250 0,2 »
1,0 690 1,5 »
Фанера 6,5 850 5,22 Аргон
Керамика 6,5 850 0,6 »
Асбоцемент 6,3 250 0,025 ' Воздух
Кварц 1,2 100 0,5 Кислород
Резина 2,0 100 1,9 »
Кроме линейных резов излучение ОКГ может быть использовано для прошивания отверстий в различных материалах. Получение отдельных отверстий и каналов осуществляется чаще всего с помощью импульсных твердотельных ОКГ за один или несколько импульсов.
Лазерное прошивание по сравнению с механической обработкой отверстий обладает рядом преимуществ:
можно обрабатывать практически любые материалы независимо от их механических свойств (прежде всего твердости);
можно получать отверстия малых диаметров (с/<0,1 мм) с большим отношением глубины к диаметру;
отсутствует механический силовой контакт между инструментом и материалом;
можно получать отверстия, ось которых наклонена под углом к обрабатываемой поверхности;
увеличивается точность расположения осей отверстий на оора-батываемой заготовке благодаря высокой точности систем наводки луча.
Параметры и технологические показатели прошивания различных материалов с помощью ОКГ приведены в табл. V.3.
Таблица V.3
Металл Толщина, мм Диаметр отверстия, мм Время импульса, мс Энергия импульса, Дж
входного выходного
Нержавеющая сталь 0,9 0,5 0,25 2,35 5,9
Никелевая сталь . . . 1,78 0,3 0,22 0,8 16,0
Вольфрам 0,5 0,2 0,15 2,0 3,3
Молибден 0,5 0,25 0,2 2,0 3,3
Тантал 1,6 0,3 0,1 2,42 8,0
Медь 0,8 0,2 0,2 2,25 4,9
Магний 1,6 0,4 0,3 2,0 3,3
Экспериментально установлено, что дно отверстия при лазерной обработке формируется в основном за счет испарения, а боковые стенки — за счет плавления материала обрабатываемого
Рис. V.16
Рис. V.17
изделия и вытекания жидкости при избыточном давлении паров в полости отверстия. Геометрическая форма отверстия существенно зависит от места расположения фокального пятна относительно поверхности детали 2. На рис. V.16 показаны различные формы отверстия при изменении фокусировки {минимальный размер фокальных пятен расположен по линии /). Следует отметить, что максимальный диаметр отверстия находится у его входной части. Глубина отверстия тем больше, чем больше энергия импульса излучения.
Для получения глубоких отверстий малых диаметров с большим отношением глубины к диаметру целесообразно применение многоимпульсного режима обработки, причем энергия единичного импульса в данном случае может быть незначительна. В связи с
этим для получения отверстий чаще всего используются импульсно-периодические ОКГ с иттриево-алюминиевым гранатом, позволяющим работать с частотой следования импульсов до 1 кГц. По сравнению с электроннолучевым способом получения отверстий «лазерное сверление» более производительно и экономично.
Метод получения отверстий с помощью излучения ОКГ нашел распространение при изготовлении фильер, подшипников из кристаллических материалов для измерительных приборов, микротрафаретов для пленочных схем, форсунок и т. д. Прошивание лазером микроотверстий диаметром 0,05...0,6 мм в заготовках из керамики, металла, феррита, рубина широко применяется как предварительная, так и финишная операция при изготовлении фильер (рис. V.17), часовых камней. Обработка обычно ведется с
Рис. V.18
использованием твердотельных ОКГ в импульсном режиме. Профиль канала образуется при обработке алмаза с двух сторон с разным числом импульсов (со стороны входа число импульсов больше).
Производительность лазерной установки для сверления отверстий в часовых камнях из рубина по сравнению с механической обработкой в 100 ... 1000 раз больше в пересчете на один рабочий инструмент.
Испарение лучом ОКГ поверхностных слоев материала позволяет осуществлять гравирование металлических поверхностей, например печатных валков полиграфических машин. Малый диаметр фокального пятна дает возможность получать высокую разрешающую способность при высокой производительности. Управление перемещением луча в данном случае осуществляется с применением ЭВМ.
Для этой операции используется отпаянный СО2 — лазер мощностью 15...50 Вт. Скорость гравирования достигает 10 м/мин; значительно снижаются трудоемкость и время процесса изготовления форм, улучшается качество печати.
Съем материала за счет испарения его излучением ОКГ применяется при различных подгоночных и балансировочных работах. При балансировке гироскопов, роторов высокоскоростных двигателей и других вращающихся деталей импульсное излучение ОКГ малой длительности используется для съема материала непосредственно на вращающемся изделии, что значительно ускоряет процесс балансировки и повышает его точность.
На рис. V.18 приведена схема подгонки лазерным лучом сопротивления пленочного резистора, полученного напылением на диэлектрическую подложку. Процесс обычно ведется в импульсном автоматическом режиме, причем после каждого импульса производится измерение сопротивления и образец перемещается по заданной программе.
ГЛАВА 3. ОБОРУДОВАНИЕ ДЛЯ ОБРАБОТКИ МАТЕРИАЛОВ С ПОМОЩЬЮ ОКГ
§ 3.1. ОКГ на твердом теле
Определяющим для ОКГ является рабочее тело, генерирующее когерентное излучение, и оно определяет основные конструктивные особенности оборудования.
Твердотельные ОКГ являются наиболее распространенными в промышленной практике устройствами. Они состоят из ряда функциональных систем и узлов, среди которых можно выделить следующие: ______ __________ ___— ----------------
Г) собственно-система генерации излучения, основой которой является рабочий стержень из оптически активного материала и система зеркал резонатора;
2) система передачи излучения к месту его использования;
3) система фокусировки;
4) система накачки;
5) система охлаждения рабочего тела;
6) система электропитания ламп-вспышек и автоматика управления;
7) система контроля энергии излучения;
8) система перемещения изделия, наблюдения и наводки луча.
Все материалы, которые используют в качестве рабочего тела», производят искусственно, и на стадии их изготовления в них вводятся вещества, содержащие оптически активные атомы (в основном хром и неодим). Поверхность стержня полируется для обеспечения его оптической прозрачности. Особенно тщательно обрабатываются торцы, через которые выводится генерируемое излучение. Рабочий стержень жестко закрепляют в рабочей камере, и относительно него выставляют и юстируют зеркала-отражатели. Эти зеркала должны иметь малые потери на поглощение и рассеяние. С этой целью их иногда выполняют в виде многослойных тонкопленочных покрытий на соответствующей подложке. Обычно коэффициент отражения на концевом (глухом) зеркале составляет не менее 99,5%, а у полупрозрачного зеркала, через которое выводится излучение, он равен 50%. Зеркала могут быть как плоскими,, так и сферическими.
Система передачи излучения к обрабатываемому объекту для твердотельных ОКГ обычно проста и при необходимости изменить направление излучения состоит из одного-двух зеркал или призм (рис. V.19).
Твердотельные ОКГ работают обычно в диапазоне длин волн Х = 0,69...2,1 мкм. В этой части спектра достаточно хорошо работают обычные объективы со стеклянной оптикой. Применение единичных линз в данном случае вряд ли оправдано из-за сферической аберрации, ухудшающей фокусировку. С другой стороны, сложные-объективы с большим числом линз имеют большие потери, значи-
тельно нагреваются мощным световым потоком, вследствие чего и возникает помутнение оптики.
Накачка энергией рабочего вещества твердотельных ОКГ обычно осуществляется мощным полихроматическим светом. Чаще всего для этой цели используются импульсные криптоновые дуговые газоразрядные лампы. Для ОКГ на иттриево-алюминиевом гранате, имеющем возможность работать в непрерывном режиме, применяются мощные галогенные лампы накаливания с вольфрамовой спиралью. Для увеличения мощности накачки могут использоваться одновременно несколько ламп 2 (рис. V.20), помещаемых в рабочую
Рис. V.19 Рис. V.20
камеру 5 резонатора. Внутренняя поверхность камеры 3 выполняется обычно из материала с высокой отражающей способностью (стекло, полированный металл) в форме секций эллиптических цилиндров для повышения равномерности освещения рабочего стержня 1.
КПД процесса передачи энергии от лампы к рабочему телу ЮКГ и процесса преобразования энергии накачки в когерентное световое излучение для твердотельных лазеров сравнительно низок и не превышает обычно нескольких долей процента. Основная доля затрачиваемой при этом энергии превращается в теплоту, которая выделяется как в самом стержне, так и в камере резонатора. С целью охлаждения рабочего тела все промышленные установки имеют специальные системы, где в качестве хладоаген-та используется газ (чаще всего воздух) или проточная вода. Многие установки имеют специальные системы термостабилизации; отклонение температуры охлаждающей воды от заданного уровня не превышает ± 1 К.
С точки зрения условий охлаждения твердотельных ОКГ наиболее целесообразно использовать в качестве рабочего тела иттрий-алюминиевый гранат; он имеет хорошую теплопроводность и высокую механическую прочность. Мощность излучения такого твердотельного ОКГ в непрерывном режиме может достигать 0,1 кВт.
Система электропитания обеспечивает необходимую силу тока питания газоразрядных ламп-вспышек. Обычно она представляет собой батарею конденсаторов с напряжением 1...5 кВ и емкостью до нескольких тысяч микрофарад. Такие конденсаторные 62
батареи имеют относительно высокую стоимость, большие массу и габариты и требуют высоковольтных зарядных устройств большой мощности.
При лазерной размерной обработке питание ламп-вспышек может осуществляться непосредственно от одной конденсаторной батареи, при этом время горения лампы-вспышки составляет обычно* доли миллисекунды, а время излучения ОКГ — несколько микро
секунд.
При сварке твердотельным ОКГ этого времени недостаточно, чтобы металл успел расплавиться. С целью удлинения импульса излучения ОКГ создают «колоколообразный» импульс разряда батареи конденсаторов. Такой «затянутый»
во времени импульс тока при
питании лампы-вспышки обес- Рис« v-21
печивает большее время накач-
ки, исчисляемое обычно долями секунды, и соответственно большее* время генерации излучения, исчисляемое миллисекундами. «Колоколообразный» импульс тока при разряде конденсаторной батареи создается путем включения конденсаторов и катушек индуктивности в виде отрезка длинной линии.
Конденсаторы и катушки индуктивности вместе с системой их; зарядки обычно выполняются в виде отдельного высоковольтного5 блока, занимающего большую часть объема установки.
Автоматика твердотельного ОКГ обеспечивает функционирование всех его систем и прежде всего управление энергией и частотой следования импульсов при работе в импульсно-периодическом режиме.
Для оперативной оценки мощности излучения ОКГ как основного параметра лазерной технологии многие промышленные установки имеют встроенные системы контроля энергетических параметров-излучения.
При тепловом методе контроля часть излучения ОКГ попадает в специальный калориметрический измеритель и по изменению температуры определяется энергия излучения. Получили также распространение фотоэлектрические методы с использованием специальных фотоприемников с внешним фотоэффектом.
Система контроля энергии импульса может быть использована для регулирования режима работы ОКГ, а также для оценки работоспособности всех элементов и систем тракта генерации и передачи луча к обрабатываемому изделию.
Для точной наводки луча на место обработки обычно используют различные оптические системы типа бинокулярного микроскопа с предметными столиками, приводимыми в движение микрометрическими винтами, или со специальными микроманипуляторами. Поскольку по условиям техники безопасности наводка луча
во время импульса излучения ОКГ недопустима, то во время наводки пользуются маломощным лучом света в видимой части спектра. •Свет от источника 1 (рис. V.21) проходит через прозрачный стержень ОКГ 2, систему 3 передачи излучения и систему 4 фокусировки. При этом исключаются все погрешности, связанные с юстировкой системы наводки. В процессе генерации рабочего излучения источник 1 выводится из объема резонатора, а оптическая система наблюдения обязательно блокируется специальной светонепроницаемой шторкой.
§ 3.2. Газовые О КГ
Газовые ОКГ стали разрабатываться позднее твердотельных лазеров, и в них реализованы самые последние достижения квантовой электроники, в частности возможность получения непрерывного когерентного излучения с мощностью до нескольких десятков киловатт. По конструкции разрядной трубки, в которой находится рабочий газ, эти ОКГ можно условно разделить на две большие группы: 1) отпаянные газовые лазеры, где рабочая газовая смесь определенного состава помещается при соответствующем давлении в герметичный объем и не заменяется в процессе всего периода эксплуатации, и 2) газовые лазеры проточного типа, в которых рабочая смесь все время прокачивается через рабочую камеру (резонатор), где генерируется излучение.
К первой группе относятся ОКГ на молекулярном азоте, аргоне, смеси гелия с неоном. Сюда же относятся лазеры на смеси •СОг—N2—Не с химическим поглотителем оксида углерода СО. Мощность излучения этих систем обычно не превышает 100...150 Вт, что в первую очередь определяется сложностью эффективного охлаждения газа в отпаянном объеме. Основным достоинством этих систем является их относительная простота.
Самой распространенной системой второй группы ОКГ является лазер, работающий на смеси СОа—N2—Не. Проточный газовый лазер на СО2 может давать непрерывное излучение с мощностью до нескольких десятков киловатт и имеет КПД, достигающий 10...20%, что значительно выше, чем у других лазерных систем.
Функциональные узлы и системы газовых ОКГ примерно те же, что и у твердотельных, однако физические принципы работы и конструкция могут быть совершенно иными.
В отпаянных ОКГ технологического назначения наиболее ответственным элементом является газоразрядная трубка. Материал трубки работает в тяжелых температурных условиях, подвергается интенсивной ионной бомбардировке. Его стойкость в значительной мере лимитирует возможности отпаянных ОКГ. Корпуса разрядных трубок изготовляют из кварца, графита, керамики на основе оксида бериллия и металла. Такие трубки имеют срок службы до 5000 ч.
Наиболее совершенные отпаянные газовые лазеры имеют системы непрерывной регулировки мощности излучения (по встроенному *64
измерителю мощности) посредством управления током разряда (энергией накачки).
Положительной тенденцией в развитии отпаянных ОКГ является увеличение числа систем, работающих на ионах благородных газов. Они мало критичны к изменению со временем химического состава газовой смеси и позволяют генерировать излучение в видимой (сине-зеленой) и ультрафиолетовой частях спектра, что выгодно с точки зрения уменьшения коэффициента отражения обрабатываемого материала в этом диапазоне длин волн.
Газоразрядную трубку вместе с зеркалами резонатора и юстировочными устройствами обычно компонуют в одном корпусе в виде так называемой лазерной головки. которая соединяется кабелем с блоком питания и может быть встроена в различные блоки технологического оборудования.
Разработка проточных газовых ОКГ явилась следствием развития отпаянных систем. В них улучшены условия охлаждения газовой смеси, стабилизирован ее химический состав за счет компенсации продуктов разложения газа. Проточные лазеры конструктивно выполняются в двух вариантах: 1) с продольной относительно оси излучения прокачкой газа и 2) с быстрой поперечной прокачкой.
Схема установки с продольной прокачкой газа (смесь СО2—N2—Не) приведена на рис. V.22. Рабочие газы подаются из баллонов 4 в смеситель и оттуда в многотрубную разрядную камеру 2, откуда вакуумные насосы 3 откачивают эту смесь со скоростью 5 ... 10 л/с. Давление газовой смеси в разрядной камере поддерживается на уровне 1,33 ... 4 кПа, причем обычно газовая смесь после прокачки повторно не используется, а выбрасывается в атмосферу. Возбуждение газового разряда и его питание обеспечиваются с помощью специального высоковольтного источника питания 1.
Из-за невысокого давления в трубах скорость течения газа невелика и соответственно невелик теплообмен со стенкой трубы. Системы с «медленной» прокачкой развивают мощность не более 50...60 Вт на метр длины резонатора, а общая мощность ОКГ ограничена значением 1 кВт.
Большие мощности непрерывного излучения могут быть получены при использовании газовых ОКГ на смеси СО2—N2—Не с быстрой поперечной прокачкой газа.
Принципиальная схема мощного газового лазера с поперечной прокачкой приведена на рис. V.23. Поток газовой смеси прокачивается насосом 7 через разрядную камеру 2, где между секционированными электродами 1, 6 из вольфрама или нержавеющей стали создается мощный разряд. Газ охлаждается в теплообменниках 8 и снова попадает в резонатор. Система является замкнутой, однако часть газа в ходе работы может отбираться для очистки его от молекул СО, а в смесь добавляются свежие порции газа. Излучение выводится из резонатора с помощью зеркала 4 и зеркала 5 с отверстием и через окно 3 из материала, прозрачного для излучения с длиной волны %=10,6 мкм, направляется к месту обработки. В реальных промышленных условиях длина хода этого луча может составлять десятки метров, и в целях безопасности его окружают специальными «лучепроводами» в виде закрытых кожухов.
Скорость газового потока достигает 50...80 м/с при подаче на* coca до 1000...5000 л/с. Это позволяет обеспечить эффективный конвективный теплообмен и охлаждение разрядной трубки и самой газовой смеси. Лазеры с поперечной прокачкой часто называют «конвективными электроразрядными ОКГ».
Создание мощного газового разряда в камере резонатора конвективного ОКГ является сложной задачей. Обычно для этой цели
Рис. V.22
Рис. V.23
используется специальный высоковольтный источник питания.
Для улучшения условий генерации, излучения и повышения выходной мощности в ОКГ с поперечной продувкой обычно применяют предварительную ионизацию рабочего газа с помощью вспомогательного газового разряда (в том числе высокочастотного) или электронного луча, вводимого в разрядную камеру через окно из тонкой металлической фольги.
Мощность излучения конвективных серийных электроразрядных ОКГ, работающих в непрерывном режиме, составляет 5 ... 15 кВт при КПД установок 2 ... 5%.
В целом проточные газовые ОКГ, особенно с быстрой поперечной прокачкой, являются достаточно сложными в изготовлении и эксплуатации устройствами, имеющими в несколько раз более
высокую стоимость, чем электроннолучевые установки той же мощности.
Полупроводниковые ОКГ в настоящее время для технологических целей практически еще не применяются в связи с малой мощностью излучения. Однако возможность генерации излучения в широком диапазоне длин волн и простота преобразования электрической энергии в энергию излучения создают перспективу использования их и для технологических целей.
§ 3.3. Техника безопасности при технологическом применении ОКГ
Основную опасность для операторов, обслуживающих лазерные установки, представляют высокое напряжение питания ламп-вспышек или разрядных трубок газоразрядных лазеров, мощное когерентное излучение в оптическом диапазоне.
Высоковольтные системы питания ОКГ должны полностью удовлетворять «Правилам устройства электроустановок», и их эксплуатация должна вестись в соответствии с требованиями «Правил технической эксплуатации и безопасности обслуживания электроустановок промышленных предприятий».
Основное внимание следует обращать на защиту от когерентного излучения как прямого, так и отраженного типа. Излучение прямого типа должно выводиться из резонатора таким образом, чтобы ни при каких возможных обстоятельствах обслуживающий персонал не мог попасть в зону его действия. Для этой цели необходимо применять ограждения, лучепроводы, специальные непрозрачные заслонки и т. д.
Отраженное от элементов конструкции и обрабатываемой заготовки излучение ОКГ также представляет значительную опасность для человека, уровень его надо строго контролировать и принимать мероприятия для снижения этого уровня до установленных норм.
Наиболее подвержены поражению излучением ОКГ глаза. Уровень безопасного излучения в оптическом диапазоне зависит от длины волны и вида излучения. Некоторые из санитарных норм приведены в табл. V.4.
Таблица V.4
Длина волны, мкм ОКГ и тип излучения Верхний предел безопасного уровня излучения, Дж/м’
0,63 Газовый непрерывного излучения ю-2
0,69 Твердотельный импульсный на рубине io-4
1,06 Твердотельный импульсный на неодимовом стекле io-3
Следует также учитывать, что эффект от воздействия излучения усиливается в результате суммирования организмом общей дозы излучения. На рабочих местах целесообразно применение специальных дозиметров суммирующего типа, определяющих общую дозу радиации за определенный период времени.
Для уменьшения отражения излучения ОКГ от обрабатываемых объектов целесообразно применять специальные покрытия с малым коэффициентом отражения. Элементы оборудования, ос-3* 67
настки и интерьера, где находится лазерная установка, должны иметь матовую поверхность.
• Технологическое лазерное оборудование желательно устанавливать в отдельных помещениях, куда следует ограничить доступ; в остальных случаях надо отделять ОКГ экранами, ширмами, перегородками, не пропускающими излучения.
Для дополнительной защиты глаз обслуживающий установки персонал должен носить защитные очки (обязательно со стеклянными фильтрами), так как стекло хорошо поглощает излучение, особенно в диапазоне с длиной волны 10,6 мкм, на котором работают мощные газовые ОКГ.
Часть VI
ПЛАЗМЕННАЯ ОБРАБОТКА
ВВЕДЕНИЕ
В 1802 г. профессор Санкт-Петербургской медико-хирургической академии В. В. Петров впервые получил электрический дуговой разряд. Этот мощный высокотемпературный источник энергии нашел затем широкое применение в технике как источник света, а также для плавки и сварки металлов, химического синтеза и т. д.
Дальнейшие исследования показали, что в дуговом промежутке вещество при высокой температуре находится в особом состоянии, где наряду с нейтральными молекулами и атомами имеются заряженные частицы — ионы и электроны. Эти заряженные частицы обеспечивают прохождение электрического тока через газ и придают ему ряд ценных с практической точки зрения свойств.
В 1923 г. американские физики Л. Тонкс и И. Ленгмюр предложили называть такую среду, в которой значительная часть молекул или атомов ионизирована, плазмой. Плазма является состоянием вещества, наиболее распространенным в космосе.
Она может быть также получена искусственно самыми различными физическими способами.
Плазму чаще всего получают при осуществлении электрофизических процессов — в электрическом дуговом разряде, высокочастотном электрическом поле, с помощью энергии лазерного излучения и т. д. Физические свойства плазмы и прежде всего высокие значения температуры, энтальпии и электропроводности привлекают к ней внимание как к уникальному явлению, позволяющему осуществлять ряд интересных физических и технических проектов.
В атомной физике, например, «горячая» плазма с температурой выше 106 К рассматривается как средство проведения управляемых термоядерных реакций синтеза. Функционирует ряд магнитогидродинамических (МГД) генераторов, в которых высокоскоростной плазменный поток служит для прямого преобразования тепловой энергии в электрическую. Существуют электрореактив-ные плазменные двигатели, устройства для плазмохимических реакций и т. д.
Технологическое применение плазма нашла прежде всего в процессах, требующих высокотемпературного концентрированного нагрева (металлургия, сварочные процессы). В промышленности широко используется плазменная резка различных металлов и неметаллических материалов, плазменное нанесение покрытий из туго-
плавких металлов, оксидов, карбидов и нитридов. Как правило, для технологических целей используют так называемую «низкотемпературную» плазму с температурой 1О3...1О5К, представляющую собой частично ионизированный газ.
Для получения плазмы, используемой в технологических целях, разработан целый ряд специальных устройств, называемых плазмотронами или плазменными горелками. Наиболее распространены плазмотроны, в которых нагрев газа до необходимой темпе-
Рис. VI.1
ратуры осуществляется электрическим дуговым разрядом. В последнее время начинают применяться также высокочастотные плазмотроны с так называемым «безэлектродным разрядом».
Принципиально того же результата можно достигнуть и при сжигании горючих смесей в обычных горелках за счет энергии химических реакций, но эффективность таких устройств значительно ниже.
В дуговых плазмотронах плазма с требуемыми характеристиками может быть получена при различных видах взаимодействия дуги с плазмообразующим газом. Плазмообразующие газы также могут быть различными.
Стабилизация дуги в плазмотроне может осуществляться аксиальным потоком газа /, создающим слой 2, ограничивающий столб дугового разряда (рис. VI. 1, а).
При тангенциальной подаче газа в дуговую камеру плазмотрона стабилизация достигается за счет вихревого потока 1 плазмообразующего газа (рис. VI.1, б).
Весьма эффективным способом стабилизации дугового разряда в плазмотроне и повышения его удельных энергетических характеристик является ограничение диаметра столба дугового разряда охлаждаемой стенкой. Обычно эта стенка выполняется в виде медного водоохлаждаемого сопла 1 сравнительно небольшого диаметра, ограничивающего наружный диаметр дуги 2 (рис. VI.1, в). В реальных условиях в плазмотроне может применяться сразу несколько способов стабилизации столба дугового разряда.
Плазмообразующий газ, используемый в плазмотроне, в значительной мере определяет технологические возможности плаз-70
менной струи, и его нужно выбирать в зависимости от цели процесса. Наиболее широко в качестве плазмообразующих газов распространены аргон, гелий, азот, водород, кислород и воздух.
Молекулярные газы (N2, Н2, О2 и воздух) позволяют увеличить эффективность нагрева за счет реакций диссоциации — ассоциации. В столбе дугового разряда молекулы диссоциируют по следующим схемам:
Н2-|-431,57 кДж/моль—>2Н
N2+942,75 кДж/моль—>2N
О2-|-502,80 кДж/моль—>20
При этом происходит дополнительное поглощение теплоты в столбе дугового разряда. При попадании на обрабатываемую поверхность плазмообразующий газ ассоциирует (превращается из атомного в молекулярный); при этом выделяется теплота, затраченная на его диссоциацию.
ГЛАВА 1. ОСНОВНЫЕ ФИЗИЧЕСКИЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ И СВОЙСТВА ПЛАЗМЫ
§ 1.1. Степень ионизации плазмы
Степень ионизации плазмы — это количественная характеристика, определяющая соотношение в плазме заряженных и нейтральных частиц:
x=nlN, (VI. 1)
где п — концентрация в плазме заряженных частиц одного знака (ионов или электронов); N — число нейтральных молекул или атомов газа до его ионизации. Степень ионизации плазмы зависит от многих факторов (прежде всего от температуры). Для низкотемпературной плазмы ее значение может меняться в широких пределах О...1ОО%.
§ 1.2. Квазинейтральность
Квазинейтральность плазмы означает, что в определенном объеме число отрицательно заряженных частиц (в реальных условиях электронов) равно числу положительно заряженных частиц (ионов), иначе должны возникнуть электрические поля, приводящие к перераспределению зарядов.
По мере снижения давления число частиц в объеме уменьшается и может наступить момент, когда количество частиц будет настолько мало, что условия квазинейтральности не будут выполняться.
Объем, где нарушается квазинейтральность плазмы, определяется дебаевским радиусом (от имени голландского физика П. Дебая): ____
гл=5УТе/п, (VI.2)
где/д — дебаевский радиус,см; Те — температура (электронная), К; п — концентрация электронов, см~3. Если размеры рассматриваемой области плазмы больше дебаевского радиуса гд, условия квазинейтральности выполняются (ne~nt). Если же рассматривается объем плазмы радиусом г<гд, в этом объеме плазму нельзя считать квазинейтральной.
Понятие квазинейтральности позволяет более четко определить плазму как форму вещества, в которой число электронов и ионов в объеме настолько велико, что даже небольшое нарушение равенства ne = rii невозможно из-за образования сильных электрических полей. В реальных плазменных устройствах, применяемых в технологических целях и в вакууме, величина гд определяется значениями 10-2...103 см.
§ 1.3. Температура плазмы
Температура плазмы является ее важнейшей характеристикой, и в реальных плазмотронах она может достигать (2...5) • 104 К. В ряде случаев плазму можно рассматривать как идеальный газ, так как при высоких температурах концентрация частиц в плазме, несмотря на сравнительно высокие давления, мала и для нее можно считать справедливыми уравнения идеального газа, в том числе основной закон газового состояния pV=^RT, где р — давление газа, Па; V — объем, м3; Т — температура, К; R = = 8,31 Дж/(моль-К)—универсальная газовая постоянная. Для плазмы это уравнение удобнее представить в следующей форме:
p=nRTiN. (VI.3)
где п = яе+Пг + по — суммарная концентрация заряженных и нейтральных частиц в плазме; А = 6,02-1023 моль”1 — число Авогадро.
Расчеты по этому уравнению показывают, что при нормальных условиях (р=105 Па, Т=300 К) в 1 см3 воздуха содержится и=2,7-1019 частиц, а в 1 см3 воздушной плазмы при Т=6000 К и атмосферном давлении р=105 Па, несмотря на ионизацию, содержится всего 1018 частиц.
При рассмотрении п’лазмы как совокупности заряженных частиц различных знаков (электронов и положительно заряженных ионов) вводят понятия электронной Те и ионной Ti температур. Та£ой подход позволяет более детально рассмотреть энергию отдельных частиц, составляющих плазму.
В отличие от обычной газовой смеси, все частицы которой имеют одинаковую среднюю кинетическую энергию беспорядочного теплового движения, у электронов, ионов и нейтральных атомов эта энергия различна. Это связано прежде всего с тем, что электрон является значительно более легкой частицей и отношение масс электрона и иона me/mi== 1/1840 Аг, где Аг—атомная масса вещества, которому принадлежат ионы. Из определения температуры
т^2/2=(3/2)АГГ, (VI.4)
где т-—масса частицы (иона или электрона); v— скорость частицы; /С=8,6-10~5 эВ/К — постоянная Больцмана, следует, что элек-72
тронная температура (энергия электрона) всегда выше энергии ионов и нейтральных атомов из-за большей подвижности электрона. Это различие становится наиболее заметным при понижении плотности (давления) плазмы (рис. VI.2), где разница электронной Те и ионной Ti температур может достигать нескольких порядков. Таким образом, для плазмы вообще должно быть справедливым соотношение: Te>Ti>Ta, где Та — температура нейтральных атомов.
Для плазмы, используемой в технологических устройствах, где давление достаточно велико и концентрация частиц составляет >1015 см”3, можно с достаточной для практических целей точностью считать, что Те^Тг~Та, т. е. температуры всех частиц равны. Такая плазма носит название термической, и к ней можно применить некоторые принципы термодинамики.
Индийский физик М. Саха предложил рассматривать состояние вещества в плазме как термическую ионизацию по схеме обратимой реакции:
А^А+^е~. (VI.5)
Определив по правилам химической термодинамики константу равновесия и сделав некоторые допущения, он вывел уравнение, которое в современном виде выглядит так:
р-^р=2,4.10-4а27’5/2ехр(— , (VI.6)
где х — степень ионизации газа; р — давление газа, Па; Т — температура, К; eUi — энергия ионизации газа, эВ; /(:=8,6-10-5 эВ/К— постоянная Больцмана; а2 — статистический квантовый коэффициент.
Квантовый коэффициент а2 был введен позднее в уравнение Саха для учета взаимодействия частиц в соответствии с законами квантовой физики. Значение этого коэффициента колеблется в пределах 1 ... 4 в зависимости от положения элемента в периодической системе элементов Д. И. Менделеева.
Графики' степени ионизации по уравнению Саха приведены на рис. VI.3. Степень ионизации плазмы зависит от температуры и потенциала ионизации элемента, достигая больших значений при температурах выше 104К.
Уравнение Саха справедливо для однокомпонентного газа. Для смеси газов и паров (что чаще всего встречается в реальных условиях) В. В. Фролов ввел понятие эффективного потенциала ионизации. Этот обобщенный показатель, выражаемый в электронвольтах, учитывает долю каждого компонента в смеси и его потенциал ионизации:
k / X
и0=------— In V V?/2 ехр| ——, (VI.7)
° 5800 I т
i \ /
где Vi — объемная доля i-ro компонента в смеси; Ui— потенциал ионизации f-ro компонента, В; Т — температура, К.
Расчет эффективного потенциала ионизации по формуле (VI.7) показывает, что введение в смесь даже небольшого количества компонента (менее 3...5%) с малым потенциалом ионизации резко снижает значение эффективного потенциала ионизации смеси, делая его близким к минимальному значению min {f7b t/2,Uk} для этой смеси.
§ 1.4. Энтальпия плазмы
Энтальпия плазмы является важной энергетической характе-
ристикой плазменной струи и зависит как от температуры, так и от рода применяемого плазмообразующего газа. Как видно из графика на рис. VL4, энтальпия Н моно-
атомных газов увеличивается с повышением температуры благодаря повышению энергии теплового движения атомов газа и их ионизации. У молекулярных газов в процессе нагрева энтальпия даже при сравнительно невысоких температурах резко возрастает за счет процесса диссоциации, а затем уже начинается повышение энтальпии за счет ионизации. Поэтому для технологических процессов, когда не нужны очень высокие температуры (свыше 104 К), в качестве плазмооб
разующих газов целесообразно использовать азот, водород, кислород, воздух. Для получения более
высоких температур необходимо применять плазму одноатомных газов (аргона, гелия).
На энтальпию плазменного потока сильно влияет расход плазмообразующего газа. Увеличение расхода газа приводит, как правило, к снижению эффективности теплопередачи от дугового или
высокочастотного разряда к газовому катоду, и энтальпия газа уменьшается.v v
Большие возможности для регулирования энтальпии плазмы открывает использование смесей газов, например аргон + гелий, ар-гон + водород, с различными энтальпийными характеристиками. Наиболее высокими удельными значениями энтальпии обладает водород, однако его применение в плазмотронах в чистом виде ведет к быстрому разрушению электродов. В технологических процессах используют водородно-азотную или водородно-аргоновую смеси газов, в которых объемное содержание водорода составляет 10...20%.
§ 1.5. Виды плазменных источников энергии
Плазменные устройства широко применяются в промышленности для осуществления различных технологических процессов, где необходимо производить как нагрев газа или подаваемого в плазменный поток вещества, так и нагрев отдельных деталей или конструкций.
Рис. VI.5
При нагреве плазмой деталей передача энергии может осуществляться или только за счет процессов теплообмена нагретого газа с твердой или жидкой фазой (деталь электрически не связана с источником питания), или за счет суммарного действия теплообмена и электрического взаимодействия заряженных частиц плазмы с электродом-заготовкой. В последнем случае эффективность нагрева, как правило, выше, но деталь должна быть электропроводной и ее необходимо включать в цепь источника питания плазмотрона.
В связи с этим в практике плазменной технологии сложилось три основных принципиальных схемы плазмотронов. В двух схемах (рис. VI.5, а, б) для получения плазмы используется электрический дуговой разряду в схеме, изображенной на рис. VI.5, в, нагрев газа и образование плазмы осуществляются за счет безэлектродного высокочастотного индукционного разряда.
Схема, изображенная на рис. VI.5, а, получила название плазменной дуги, а плазмотрон для ее получения — плазмотрон прямого действия. Если изделие 1 гальванически не связано с обрабатываемой деталью (рис. VI.5, б), то схема называется плазменной струей, а плазмотрон носит название плазмотрона косвенного действия.
Известны комбинированные схемы включения изделия в цепь плазмотрона (плазменная струя и токоведущее изделие) и комбинированные способы передачи энергии плазмообразующему газу (химическая энергия сгорания топлива и электричебсая энергия дугового или высокочастотного разряда). /
§ 1.6. Характеристики плазменного источника
Основными характеристиками плазменного источника энергии являются его эффективная тепловая мощность, определяющая отношение количества теплоты, вводимой в основной металл, ко времени, и коэффициент сосредоточенности, определяющий распределение удельного теплового потока по поверхности обрабатываемого изделия.
Для плазменной дуги эффективная тепловая мощность
(Vi.8)
где U — напряжение дуги; 7—сила тока дуги; ци — эффективный КПД процесса плазменного нагрева, учитывающий потери энергии при передаче ее к изделию.
При использовании в качестве источника энергии плазменной струи часть энергии дополнительно расходуется на нагрев анода-сопла. В этом случае значение величины ци меньше. С энергетической точки зрения рациональнее использовать плазменную дугу.
Высокочастотные плазмотроны, как правило, имеют худшие энергетические характеристики по сравнению с дуговыми и соответственно значительно меньшее значение эффективного КПД т)и.
Распределения температуры двух вариантов I и II плазменной дуги (рис. VI.6, а) и плазменной струи (рис. VI.6, б) по радиусу г и по длине I крайне неравномерны. А^аксимальная температура наблюдается в центре на оси плазменного потока, причем она значительно выше, чем у открытой дуги. Плотность теплового потока для плазменных источников энергии также выше, чем для открытой дуги, и достигает 106 Вт/см2.
При нагреве в потоке плазмы мелкодисперсных частиц из-за малого времени взаимодействия частицы с плазмой эффективный КПД нагрева обычно не превышает нескольких процентов. Для повышения эффективности нагрева приходится искусственно увеличивать путь частицы при движении ее в канале плазмотрона.
Нагрев газа в плазмотроне приводит к резкому уменьшению плотности газа. За счет этого увеличивается скорость его истечения.
Распределение скорости v струи по радиусу г ее сечения приведено на рис. VI.7. Скорость потока максимальна в центре, где наблюдаются максимальная температура Т и минимальный массовый расход газа ру2.
Большая скорость потока плазмы при выходе его из плазмотрона позволяет получать значительный газодинамический напор, который растет с увеличением силы тока. Напор плазмы может быть использован в различных технологических целях.
В болыпйнстве случаев расход газа в плазмотроне превышает 1 л/с и течений горячего газа носит турбулентный характер. Уменьшение расход^ плазмообразующего газа до значений менее
Рис. VI.6
0,1 л/с позволяет получать ламинарные плазменные струи, которые отличаются большой длиной (до 0,4 м) и высокой стабильностью.
В потоке плазмы можно получить практически любое вещество в мелкокапельной или паровой фазе. В сочетании с высокой температурой такие условия благоприятно отражаются на характере протекания различных химических реакций. Плазменный нагрев позволяет получать в паровой фазе нитриды и карбиды, оксиды тугоплавких металлов и неметаллы высокой чистоты. При этом можно значительно увеличить выход продуктов реакции по сравнению с другими способами прове-
рке. VI.7
дения химических реакций. Примером таких процессов может слу-
жить плазмохимическое получение абразивных материалов на основе бора, осаждение на рабочей поверхности металлорежущего
инструмента нитрида титана и т. д.
Плазменные источники энергии имеют ряд преимуществ перед традиционно используемыми в промышленности газопламенными, дуговыми и др. Основным из них является высокая температура потока плазмы, чем и объясняется их широкое^применение для формоизменения, сварки, резки и химико-термической обработки заготовок. /
ГЛАВА 2. ТЕХНОЛОГИЯ ПЛАЗМЕННОЙ ОБРАБОТКИ
$ 2.1. Плазменный нагрев
Нагрев деталей и материалов до невысоких температур (ниже точки их плавления) с помощью плазменных горелок используется сравнительно редко, однако в последнее время все чаще применяется плазменно-механическая обработка металлов, где осуществляется такой нагрев. Сущность метода состоит в том, что при обработке, например, резанием высокопрочных металлов и сплавов перед резцом устанавливается плазмотрон, нагревающий узкую зону обрабатываемого материала. Так как при нагреве прочность обрабатываемого материала снижается, а пластичность повышается, можно без ущерба для качества поверхности увеличить подачу и глубину резания. Плазменно-механическая обработка применяется при изготовлении деталей из жаропрочных сталей, сплавов на основе вольфрама и молибдена и других материалов, в которых при механической обработке при обычной температуре в поверхностных слоях образуются микротрещины.
Плазменная горелка позволяет нагревать узкую зону заготов- -ки, причем нагрев не вызывает окисления поверхности, и скорость нагрева до требуемой температуры может регулироваться в широких пределах, позволяющих сочетать режим работы плазмотрона с режимами резания.
Применение плазменного нагрева при обточке цилиндрических заготовок диаметром 100...350 мм из жаропрочных никелевых сплавов, вольфрама и молибдена показало, что производительность обработки увеличивается в 6...8 раз при уменьшении износа резцов в 5...6 раз. Скорость съема металла при этом может достигать 3... 4 кг/мин.
Плазменный нагрев до более высоких температур может приводить к оплавлению шероховатостей механически обработанной поверхности, улучшая тем самым технологические показатели.
§ 2.2. Плавление вещества
Плавка металлов и сплавов, а также неметаллических материалов с использованием плазменного нагрева получила широкое распространение. Данный способ отличается высокой стабильностью,, простотой и гибкостью технологического процесса. Плазменная плавка позволяет использовать самые различные среды и исходные*.
материалы яри минимальных потерях легирующих компонентов.
Наиболее распространена схема печи для плавки в водоохлаждаемый кристаллизатор (рис. VI.8). В таких печах обычно выплавляют сложнолегированные сплавы, например инструментальные стали. При этом ^благодаря небольшому содержанию в металле неметаллических включений в виде оксидов и кислорода его механические свойства (особенно пластичность) заметно повышаются.
Плазменный нагрев используется также для плавки металла с последующим измельчением расплава и кристаллизацией его в виде малоразмерных капель. В дальнейшем этот материал применяют как исходный продукт порошковой металлургии, для наплавки и т. д. Измельчение металла чаще всего получают разбрызгиванием расплавленного металла при вращении тигля 1 (рис. VI.9). Попадая на холодные стенки кристаллизатора 2, капли жидкого металла затвердевают и в виде гранул собираются на дне камеры, причем большая скорость охлаждения расплавленного металла позволяет получать неравновесные структуры со специфическими свойствами.
§ 2.3. Сварка и наплавка
Сварка с использованием плазменных источников энергии применяется все шире, так как по сравнению с обычной свободно горящей электрической дугой удается получить большую глубину проплавления и меньшую ширину шва и соответственно более узкую зону термического влияния. Процесс идет с большей скоростью при улучшении качества сварного шва.
Плазменной сваркой за один проход сваривают детали толщиной до 20 мм, что дает возможность существенно повысить произво-
дительность процесса, уменьшить возникающие при снарке деформации и получить в конечном счете более работоспособное сварное соединение. 7
Микроплазменная сварка является разновидностью процесса плазменной сварки и характеризуется силой тока плазмы порядка 0,1...10 А. Толщина свариваемых заготовок еюычно составляет 0,025...1,0 мм. Микроплазменную сварку пршленяют тогда, когда другими методами невозможно получить 7 сварное соединение, например тонколистовых материалов (фольга, сильфонно-мембранные узлы) или деталей радиоэлектронной техники.
Плазменная наплавка используется для нанесения на обрабатываемые заготовки поверхностных слоев (чаще всего из металлов или сплавов, отличных по составу от материала подложки) с целью повышения эксплуатационных свойств деталей. Для наплавки обычно применяют материалы со специальными свойствами (высокой твердостью, повышенной износостойкостью, коррозионной и термостойкостью). Наплавка позволяет получать изделия из дешевых конструкционных материалов с рациональным распределением свойств по отдельным элементам. При этом значительно снижается расход дорогостоящих легирующих материалов. Толщина наплавленных за один проход слоев может достигать 4...5 мм; возможна многослойная наплавка.
Наплавку проводят плазменными горелками косвенного действия (плазменной струей), что дает возможность регулировать глубину проплавления основного металла посредством изменения расстояния между горелкой и заготовкой. Чтобы обеспечить защиту ванны расплавленного металла от взаимодействия с атмосферными газами, в качестве плазмообразующих газов используют аргон и водород.
В станкоинструментальной промышленности наплавкой упрочняют отдельные детали станков. Использование наплавки позволяет экономить дефицитные и дорогостоящие инструментальные стали, например Р18, Р6М5, изготовляя инструменты из обычных углеродистых сталей с наплавкой рабочих лезвий. Масса наплавленной инструментальной стали обычно не превышает 4...5% от общей массы инструмента, а стойкость инструмента повышается благодаря лучшим условиям теплоотвода от режущей кромки.
Плазменную наплавку применяют для нанесения на стальные подложки меди, бронзы, сплавов типа «стеллит» (запорная арматура паропроводов), хромоникелевых сплавов (клапаны двигателей внутреннего сгорания).
С помощью плазменной наплавки в ремонтных целях восстанавливают дорогостоящие узлы и детали (штампы, пресс-формы^ валки и т. д.) металлообрабатывающего оборудования.
§ 2.4. Напыление
Плазменное напыление отличается от наплавки тем, что напыляемый материал нагревается в плазмотроне и затем осаждается
на подложках При этом температура подложки при необходимости может меняться в широком диапазоне. Существует две основные разновидности процесса: а) напыление металла, подаваемого в плазмотрон в виде прутка или проволоки (рис. VI.10, а)\ б) напыление материала^ подаваемого в плазмотрон в виде порошка (оксиды, нитриды, карбиды и т. д.) (рис. VL10, б).
Плазменным напылением обычно получают слои малой толщины (Ю-^.ЛО-3 м), причем прочность сцепления напыленного мате
риала с основным может быть различной. Можно даже получать так называемые корковые изделия, состоящие только из напыленного материала. Прочность сцепления покрытия с подложкой зависит как от механического сцепления напыляемых частиц с подложкой, так и от характера химического взаимодействия на-
пыляемого материала с основ-
ным. Для увеличения прочности Рис. VI.10
сцепления обычно стремятся по-
высить степень химического взаимодействия покрытия с подложкой, чего обычно достигают предварительным подогревом заготов-
ки и созданием промежуточных химически активных слоев.
Металлические покрытия, получаемые с помощью плазменного напыления, чаще всего состоят из вольфрама, молибдена, ниобия, кобальта, никеля и других металлов и сплавов с достаточно высокой температурой плавления.
Производительность процесса может достигать нескольких килограммов напыляемого материала в час, а плотность напыленного слоя составляет обычно 80...90 % от плотности монолитного металла. Если проводится последующая термообработка, плотность напыленного слоя может быть несколько выше. Тонкие (до 0,1...0,3 мм) напыленные слои имеют большую плотность и лучшее сцепление с напыляемым подслоем, чем более толстые.
Металлические покрытия из жаростойких металлов и сплавов, нанесенные плазменным напылением, применяются для деталей, работающих при высоких температурах в газовых потоках. Никелевые и кобальтовые напыленные слои повышают коррозионную стойкость конструкций.
Оксидные покрытия отличаются высокой жаростойкостью и сравнительно низкими показателями тепло- и электропроводности— их в основном используют в качестве защитных покрытий. Для этой цели чаще всего используют оксиды алюминия и циркония, подаваемые в плазменную струю в виде порошков. Напыление повышает стойкость кокилей и изложниц для литья; износостойкость, например фильер для протягивания молибденовых прутков, при напылении увеличивается в 5...10 раз. Покрытия из оксида алюминия широко применяются в качестве нагревостойких электроизо-
ляционных материалов для термопар, горелок, элементов радиоламп. /
. Тугоплавкие соединения на основе карбидов, брридов, силицидов и нитридов обладают высокой твердостью, /жаропрочностью, износостойкостью, и их нанесение с помощью плазменного напыления позволяет резко повысить эксплуатационное свойства ряда изделий. /
Одной из разновидностей процесса плазменного напыления является ионная технология нанесения покрытий с помощью плазменных ускорителей. Схема этого процесса приведена на рис. VI.И.
Рис. VI.11
Материал покрытия получают испарением в вакууме водоохлаждаемого катода 1. Затем его ионизируют в электрическом разряде и превращают в плазму 2, которая с помощью электромагнитного поля ускоряется и фокусируется в поток по направлению к обрабатываемой поверхности 3. Значительная энергия, которую можно сообщить ионам в плазме, позволяет глубоко внедрять их в обрабатываемые поверхности и получать прочные поверхностные покрытия.
Ионная технология позволяет получать покрытия сложного химического состава, например из оксидов, карбидов и нитридов ме-, таллов. Такие покрытия образуются в результате плазмохимических реакций, протекающих при добавлении в ионные потоки металла газов (кислорода, ацетилена, азота). В промышленности ионная технология используется для увеличения срока службы металлорежущего инструмента и штампов. При этом износостойкость инструмента увеличивается в 2...5 раз; в то же время экономятся дефицитные инструментальные материалы. С помощью ионной технологии можно также наносить различные металлические пленки.
Плазменным формованием деталей с помощью напыления получают тонкостенные детали и заготовки сложной геометрической формы из труднообрабатываемых металлов, например вольфрама, молибдена и др. Материал в виде плазмы напыляют на оправки или шаблоны, которые в дальнейшем могут или растворяться химическим путем, если они изготовлены, папример, из алюминия или меди, или разбираться на части.
Как правило, полученный после напыления слой хрупок, имеет слоистую структуру. После отжига он приобретает равновесную мелкозернистую структуру и механические свойства, позволяющие подвергать его механической обработке и использовать в конструкциях.
Формовакие деталей плазменным напылением используется для получения тиглей, деталей ракетных двигателей и МГД-генера-торов. \
\ § 2.5. Резка
\
Плазменная резка4'наряду с кислородной и воздушно-дуговой относится к группе процессов термической резки, которые имеют целый ряд преимуществ по сравнению с резанием механическим инструментом. Это прежде всего малая зависимость производительности операции от механических свойств разрезаемых мате-
риалов, возможность разоезания
заготовок значительной толщины, получение резов любой конфигурации. Плазменной резкой можно разрезать практически любые металлы и сплавы, в то время как, например, кислородная резка пригодна только для углеродистых сталей. Недостатком плазменной резки можно считать то, что толщина разрезаемых за
готовок не превышает 250...300 мм.
Существует две основные разновидности плазменной резкиг а) разделительная (рис. VI.12, а), когда металл прорезается на всю глубину, и б) поверхностная (рис. VI.12, б), называемая
строжкой.
В основе процесса лежит локальное расплавление металла в зоне реза и удаление его в жидкой фазе за счет газодинамических сил, создаваемых потоком плазмы. При этом отсутствует силовой контакт между инструментом и заготовкой, а на поверхности реза остается слой оплавленного металла толщиной в несколько деся
тых долей миллиметра. В прилегающем к зоне реза металле также могут произойти некоторые изменения, связанные с нагревом.
Параметры обработки — точность и качество поверхности вырезаемых плазменной резкой деталей — определены ГОСТом, в
котором выделены четыре показателя.
1. Соответствие заданных размеров вырезаемых деталей или заготовок фактическим размерам вырезанных контуров. Предельные отклонения установлены только в зависимости от номинальных размеров деталей без учета свойств разрезаемого металла.
2. Неперпендикулярность кромки реза. Нормы неперпендику-лярностн зависят от толщины разрезаемой заготовки.
3. Шероховатость поверхности реза, измеряемая по фактической высоте микронеровностей на поверхности реза. В размер шероховатости включаются неровности, появившиеся после удаления с кромок грата, прилипшего во время резки к нижним поверхностям вырезаемых деталей. Шероховатость нормируется в зависимости от толщины разрезаемого металла.
4. Зона термического влияния, оцениваемая по фактической максимальной толщине металла у кромок с измененной Структурой. Наличие трещин и других видимых дефектов в этой йне недопустимо. Размеры зоны термического влияния нормируются в зависимости ст толщины заготовок. Значения ширины зоны/приведены для сталей аустенитного класса. Для других сталей/и алюминиевых сплавов они принимаются в 2 раза большими. /
При плазменной резке чаще всего используются плазмотроны прямого действия благодаря их более высокому КПД и только для тонких (менее 1...2 мм) заготовок и неэлектропроводных материалов применяется схема резки в режиме плазменной струи.
В качестве плазмообразующих газов при резке используются аргон, азот, водород и их смеси, а также воздух. Применение воздуха экономически более целесообразно, однако содержащийся в нем кислород приводит к интенсивному разрушению вольфрамового электрода плазмотрона. Для воздушных плазмотронов разработан специальный термохимический катод, содержащий вставку из циркония или гафния. Оксиды этих металлов, образующиеся на поверхности катода, электропроводны, а катод оказывается работоспособным в окислительной атмосфере.
Разделительная плазменная резка широко применяется в промышленности и строительстве в качестве как предварительной, так и окончательной операции изготовления детали.
В литейном производстве разделительной плазменной резкой удаляют литниковые системы и прибыли на отливках из чугуна и других труднообрабатываемых материалов. Резка может осущест-ляться как в холодном, так и в нагретом состоянии отливки.
Резка чугунных труб, получаемых центробежным литьем, на мерные части сочетает высокую производительность и хорошее качество кромки реза. После резки не требуется дальнейшая механическая •обработка.
Применяют плазменную резку и в металлургическом производстве для разделения на мерные части заготовок с толщиной до 100 мм.
Плазменная резка листового материала толщиной до 150 мм является наиболее широко распространенной областью применения плазменных процессов в промышленности. С ее помощью можно осуществлять разрезание практически всех металлов и сплавов, хотя при резке сталей толщиной более 50...60 мм кислородная резка имеет некоторое преимущество из-за большей скорости ведения процесса.
Ручная плазменная резка применяется в основном при монтаже для разделения заготовок небольшой толщины (до 20...40 мм), поскольку напряжение холостого хода плазмотронов — устройств для ручной резки — в целях безопасности не должно превышать 180 В. Это несколько снижает эффективность обработки.
Напряжение холостого хода источника питания устройств машинной плазменной резки ограничивается значением 500 В. Машинная резка позволяет повысить точность и скорость резки, одновре-84
менно вырезгпъ несколько однотипных деталей. Ее сравнительно легко механизировать и автоматизировать.
Управление перемещением резака может осуществляться: а) механическим копированием по стальному шаблону с помощью обкатывающего его «магнитного пальца», б) непосредственно по чертежу с помощью фотокопировальной головки ив) с помощью программного управления с использованием систем ЧПУ. Программное управление наиболее перспективно; оно позволяет быстро переходить с одного вида продукции на другой. В настоящее время разработаны специализированные ЭВМ, при составлении программ для которых учитывают особенности расположения деталей различной формы при раскрое материала. Эти ЭВМ дают возможность получать минимальные отходы металла.
Преимущества плазменной резки особенно наглядно проявляются при изготовлении из листа деталей сложной геометрической формы. Производительность резания в несколько десятков раз превышает производительность фрезерования. Точность размеров и формы вырезаемых деталей при этом может быть достаточно высокой, и некоторые детали могут быть использованы без дополнительной механической обработки.
При резке листовых материалов из углеродистых и легированных сталей в качестве плазмообразующей среды применяют в основном воздух, реже чистый кислород и кислородсодержащие смеси. Цветные металлы и сплавы лучше резать с использованием аргона, азота, водорода и их смесей.
В последнее время в самостоятельное направление выделилась микроплазменная резка при сравнительно малой силе тока (5... 100 А). Этот процесс позволяет производить разделения металлов толщиной до 6...8 мм при ширине реза не более 0,8...1,0 мм. Оборудование для микроплазменной резки имеет меньшие габариты и массу, более высокую стойкость плазмотрона, меньший расход газов. В дальнейшем микроплазменная резка, видимо, заменит механическую резку тонколистовых металлов в заготовительном цикле производства.
Микроплазменная резка в режиме струи находит применение для раскроя неметаллических материалов: тканей, сеток, пленок, причем возможна резка «пакетом». При плазменной резке синтетических тканей происходит оплавление их кромок, позволяющее фиксировать волокна.
Поверхностная плазменная резка (строжка) применяется в основном для удаления дефектов (пригаров, неметаллических включений) на поверхности заготовок, разделки трещин под их дальнейшую заварку. Наибольший эффект плазменная строжка дает при обработке зашлакованных поверхностных слоев слитков и отливок, где механические способы обработки малоэффективны.
Процесс удаления поверхностных дефектных слоев особенно затруднен при обработке слитков из высоколегированных сталей, на которых образуется прочный слой оксидов и шлаков толщиной 20...25 мм с высокой твердостью и высокой температурой плавле
ния. Механическая обработка поверхностей этих слитков обычно производится после их охлаждения с помощью специального твердосплавного или абразивного инструмента. Учитывая массовый характер производства, большую площадь поверхности слитка (до нескольких квадратных метров), процесс обработки поверхности требует применения высокоэффективных методов удаления слоя оксидов любой прочности.
Плазменно-дуговая воздушная строжка, примененная для этой цели, значительно ускорила процесс удаления оксидов и шлаков и позволила вести этот процесс без охлаждения слитка. Резка горячего металла позволяет уменьшить общее время цикла металлургического производства и сократить расход топлива на подогрев слитков.
Оборудование для плазменной зачистки слитков сравнительно просто встраивается в общий-непрерывный цикл металлургического производства, причем для увеличения производительности и надежности строжка производится одновременно несколькими плазмотронами.
Зачищенная плазменной строжкой поверхность слитка не требует дополнительной обработки.
ГЛАВА 3. ОБОРУДОВАНИЕ ДЛЯ ПЛАЗМЕННОЙ ОБРАБОТКИ МАТЕРИАЛОВ
§ 3.1. Общие требования
В зависимости от назначения, от решаемых технологических задач плазменная установка обеспечивает получение плазменного потока с заданными параметрами. А4ощность, КПД, масса и другие характеристики плазменных установок могут быть различными, однако любая плазменная установка состоит из следующих основных систем и устройств: 1) плазмотрона — основного рабочего органа, служащего для создания высокотемпературного плазменного потока с высокой концентрацией энергии; 2) источника питания плазмотрона с системами регулировки режима, контроля и управления работой установки; 3) систем подачи газа в плазмотрон и различных материалов в рабочую зону; 4) систем охлаждения плазмотрона и источника питания.
Рассматривая различные виды плазмотронов и источников питания, можно сформулировать общие требования, предъявляемые к ним.
1. Выбранный технологический процесс с применением плазменного оборудования должен иметь явные преимущества по сравнению с существующими для той же цели другими технологическими процессами.
Например, плазменная резка фигурных заготовок из листа толщиной 40 ... 60 мм из алюминиевого сплава ведется со скоростью 0,4 ... 2,0 м/мин и дает повышение производительности по сравнению с механическими способами резки в 10 ... 30 раз.
2. Для конкретного технологического процесса необходимы плазмотрон, специфичный с точки зрения конструктивного решения, согласованный с источниками питания, и поддержание определенных режимов обработки.
3. Плазменная установка должна иметь достаточно высокие технико-экономическйе показатели: высокий КПД, низкую стоимость, высокую надежность, простоту эксплуатации, малую массу и габариты, хорошую ремонтопригодность (возможность быстрой замены изношенных деталей).
Указанным требованиям наиболее полно удовлетворяют дуговые плазменные установки, которые по сравнению с высокочастотными (ВЧ) плазменными установками получили значительно большее распространение. Например, КПД дуговых плазменных установок составляет 86 ... 90%, в то время как для ВЧ установок он не превышает 70 ... 75%.
4. Плазменная установка не должна оказывать вредного влияния на окружающую среду и обслуживающий персонал. В ряде случаев для этого приходится применять специальные мероприятия, так как по некоторым показателям (шум, излучение, аэрозоли) плазменные процессы могут превышать допустимые санитарные нормы.
Плазмотрон как основной рабочий инструмент выбирается в зависимости от вида технологического процесса. В настоящее время наибольшее распространение получили плазмотроны постоянного тока. Они обеспечивают большую стабильность горения дуги и точность поддержания параметров технологического процесса.
§ 3.2. Системы электропитания
Источники питания плазмотронов постоянного тока весьма разнообразны по своим параметрам и схемным решениям. На первых порах применяли стандартные источники питания для дуговой сварки (иногда по два-три в последовательном включении). Однако особенности дугового разряда в плазмотроне потребовали создания специализированных источников питания дуги. В настоящее время такие источники серийно выпускаются промышленностью.
Для создания стабильного дугового разряда в плазмотроне источник питания должен иметь падающие вольт-амперные характеристики. Наилучшей в этом случае является крутопадающая («штыковая») характеристика, которая обеспечивает неизменность режима по току даже в случае колебаний длины дугового промежутка. Переход с одной характеристики на другую связан с изменением режима процесса по току и осуществляется оператором.
Формирование вольт-амперной характеристики источника питания может осуществляться различными способами.
1. Использование дросселей насыщения. Эта схема отличается простотой, надежностью в эксплуатации и широким диапазоном регулирования, но имеет низкий КПД, высокую инерционность системы управления. Кроме того, такие источники велики по габаритам, тяжелы и дорогостоящи.
2. Применение магнитоуправляемых трансформаторов. В этой схеме удается получить плавный и достаточно шир/кий диапазон регулирования, однако она сложна в конструктивном исполнении, обладает большой инерционностью; ее практически не удается автоматизировать с целью стабилизации технологического процесса.
3. ^Применение тиристоров как выпрямляибще-кохммутирующих элементов с регулируемым углом открывания относительно начала синусоиды напряжения питающей сети. Изменяя угол открывания тиристоров, можно регулировать средние значения выпрямленного напряжения и тока.
Схема такого источни-
Рис. VI.13
ка, получившего распространение в промышленности, приведена на рис. VI.13. Напряжение трехфазной питающей сети через разделительный трансформатор ТР и трансформаторы тока ТТ1—ТТЗ подается на тиристорный выпрямительный блок БВ. Выпрямленный ток через сглаживающий пульсации дроссель ДР подается на разрезаемое изделие ( + ) и на катод
плазмотрона (—). Управление тиристорами в этой схеме осуществляется с помощью специального фазосдвигающего устройства ФСУ, формирование необходимых внешних характеристик — посредством блока управления БУ.
' Некоторым недостатком данной схемы является ограниченный диапазон
регулирования, а также инерционность управления, связанная со- спецификой рат боты тиристоров.
4. Применение параметрических источников тока. Для этого типа источников характерно использование пассивных индуктивноемкостных элементов, имеющих, как правило, значительную массу, большие габариты и высокую стоимость. Параметрические источники тока имеют широкий диапазон регулирования силы тока, обеспечивают ее хорошую стабилизацию (не хуже 3%), слабо реагируют на форму напряжения питающей сети.
Разновидностью параметрического источника питания является источник, использующий в качестве активных регулирующих элементов мощные транзисторы. Однако параметры транзисторов ограничивают предельную силу тока источника (обычно не более 100 А) и напряжение на дуге (до 40...50 В), что значительно сужает область его применения.
Источники питания для ВЧ плазменных установок, как правило, выполнены на лампах и работают в диапазоне 1...5 МГц. Они сложны по устройству, требуют специальных мер для защиты от высокого напряжения, электромагнитного поля и радиопомех. Их КПД ниже, чем у источников для дуговых плазменных установок.
§ 3.3. Системы газопитания и охлаждения
Газопитание плазменных устройств осуществляется обычно от баллонов со сжатым газом через системы редукторов. Рабочее давление плазмообразующего газа, подводимого к плазмотрону, обычно не превышает 0,6...0,8 МПа, а расход составляет 0,5...5 м3/ч в зависимости от назначения процесса и его энергетического режима. При использовании в качестве плазмообразующего газа воздуха, например при плазменной резке, газопитание может производиться от общезаводской сети, но с дополнительной очисткой воздуха от влаги и масла.
Кроме плазмообразующих газов в плазменных процессах могут применяться газы для защиты зоны нагрева (аргон, гелий, водород) и газы для охлаждения плазмотрона (воздух, азот, углекислый газ).
Специфика плазмообразования требует интенсивного охлаждения отдельных элементов плазмотрона. На практике для этой цели чаще всего используют воду, циркулирующую в системе охлаждения под давлением 0,1...0,8 МПа. Обычно воду для охлаждения стараются брать из общей водопроводной сети, но если давление в сети недостаточно, применяют дополнительные насосы на входе плазменной установки.
Для маломощных плазмотронов, например для микроплазмен-ной сварки, можно использовать естественное воздушное охлаждение или охлаждение потоком газа. Это значительно упрощает конструкцию плазмотрона.
§ 3.4. Техника безопасности
При разработке и эксплуатации плазменных установок независимо от их назначения и принципа действия должны быть приняты меры, обеспечивающие безопасную работу обслуживающего персонала. Особенность плазменных установок состоит в необходимости одновременной защиты оператора от поражения электрическим током, от действия высокочастотного электромагнитного поля, светового излучения плазмы, шума и вредных веществ, выделяющихся в процессе плазменной обработки.
Электробезопасность плазменных установок обеспечивается выполнением общих требований «Правил устройству электроустановок», «Правил технической эксплуатации электроустановок потребителей» и «Правил техники безопасности при эксплуатации электроустановок потребителей», утвержденных Госэнергонадзором СССР.
Обязательна защита от высокочастотного электромагнитного поля, возникающего при работе ВЧ плазменных установок. Измерение напряженности поля должно проводиться не реже одного раза в год и фиксироваться в специальном журнале или протоколе. Защита от ВЧ-излучений осуществляется экранированием рабочего места,
кроме того, рабочее место оператора стараются разместить дальше от источника излучения. /
Для защиты от видимого и ультрафиолетовогр/излучения плазмы применяют специальные экраны, защитнее светофильтры,
щитки и спецодежду.
Уровень шума в диапазоне 5...20 кГц, сопровождающий работу плазменной установки для резки, может достигать ПО дБ, а при напылении— 132 дБ. Защита от шума осуществляется обычно применением защитных камер и экранов, применением специальных плазмотронов и средств индивидуальной защиты.
Вредные вещества, выделяющиеся в процессе плазменной обработки, в зависимости от типа технологического процесса могут содержать оксиды азота, озон, пары и аэрозоли различных материалов. Уменьшение уровня вредных веществ до допустимых пределов обычно обеспечивается вентиляцией, применением защитных камер, кабин операторов и индивидуальных средств защиты органов дыхания. Механизация и автоматизация плазменной обработки значительно улучшает условия труда обслуживающего персонала.
Работа со сжатыми газами, используемыми при плазменной обработке, также требует соблюдения правил техники безопасности. Эти правила регламентируются Госгортехнадзором в специальных инструкциях, которыми должны быть снабжены все плазменные установки.
Часть VII
ЭЛЕКТРОВЗРЫВНАЯ ОБРАБОТКА
ВВЕДЕНИЕ
Процесс электровзрывной обработки относится к методу обработки давлением. Быстрая деформация заготовки 1 (рис. VII.1) вызывается силами действующими на ее поверхности. Заготовка деформируется и при ударе о стенки матрицы 2 принимает ее форму. Силы Fq создаются вследствие взрывного испарения некоторого вещества 3 при пропускании через него кратковременного импульса тока I. Жидкость 4 служит для передачи механических усилий к заготовке /, фиксируемой уплотняющими деталями 6, Импульсный ток I получают при разряде конденсаторной батареи 7, которая подсоединяется к электродам 5 с помощью переключателя 9. Конденсаторы предварительно заряжаются до высокого напряжения от выпрямителя 8, При деформации заготовки воздух из полости матрицы удаляется через отверстия 10.
Электровзрывную обработку применяют как для формоизменения, так и для разделения заготовки, например для штамповки, гибки, чеканки, вытяжки, раздачи, а также для дробления хрупких материалов, очистки крупных отливок от пригара, резки, развальцовки труб. Оборудование просто переналаживается при мелко-или крупносерийном производстве. Сама обработка происходит очень быстро. Оптимальных показателей процесса добиваются подбором начальных условий.
Известны две основные разновидности электровзрывного формообразования, в которых применяют: высоковольтный разряд при пробое диэлектрической жидкости, которая используется как испаряемое вещество, а также для передачи механических усилий й заготовке, и электрический взрыв проводникового испаряемого вещества, помещенного в жидкость, которая необходима только для передачи усилий к заготовке.
При высоковольтном разряде, иначе называемом элек-трогидравлической обработкой, используют электрогидравлический эффект, впервые примененный для технологических целей Л. А. Юткиным. Рабочим веществом, как правило, служит техническая вода. Электрический разряд протекает в герметичной камере. В окрестности канала разряда происходит почти мгновенное испарение жидкости, образуется ударная волна. Силы, деформирующие заготовку, создаются главным образом ударной волной, а также высоким давлением в возникающем газопаровом пузыре. Энергия разряда может достигать десятков килоджоулей, а дли
тельность составляет несколько десятков микросекунд, мгновенная сила тока достигает 50 кА при длине разрядного промежутка в несколько сантиметров. Скорость фронта ударной волны заметно превышает скорость звука в воде и доходит до 3000 м/с. Начальная скорость стенок газового пузыря может быть больше 100 м/с, наибольший радиус пузыря - несколько сантиметров, максималь-
ное давление в нем — до 1010 Па. Размеры обрабатываемых листовых заго* товок толщиной до 5 мм могут превышать 1 м.
При электрическом взрыве конденсатор разряжается на проводник в виде тонкой проволоки, нескольких проволок, фольги или сетки. Проводник располагают в диэлектрической жидкости. Начальное напряжение разряда в данном случае несколько киловольт (значительно меньше, чем в первой разновидности процесса).
Рис. VH.1
При протекании тока большой силы проводник нагревается и происходит его взрывное испарение. Возникает газопаровой пузырь, давление в котором достигает 1010 Па. В качестве материала про; водников применяют медь, константан, нихром и др. Длина прямой проволоки — до нескольких десятков сантиметров, диаметр 0,1 ... 0,3 мм.
К достоинствам электрогидравлического формообразования относятся: а) простота оснастки; б) равномерность нагружения заготовки; в) сохранение исходного качества поверхности листовой заготовки; г) возможность изготовления разнообразных деталей из заготовок одного вида. Электровзрывная обработка избавляет от выполнения дополнительных операций, а оборудование легко встраивается в автоматические линии.
Электрогидравлические установки в зависимости от назначения различаются устройством камер, расположением заготовки, конфигурацией электродов. Ударная волна может иметь сферическую, цилиндрическую или плоскую форму.
Применяют еще одну разновидность электровзрывной обработки— электрический взрыв в вакууме электропроводного материала (обычно металлической проволоки) с целью нанесения покрытия. Покрытия наносят на различные материалы (в том числе керамику и стекло) без предварительного нагрева изделия. Этим способом изготовляют детали рентгеновской аппаратуры и электронных приборов, цилиндров автомобильных двигателей и др.
ГЛАВА 1. ФИЗИКА ПРОЦЕССА
§1.1. Формообразование под действием электрического разряда в жидкости
В устройстве для штамповки (см. рис. VII. 1) к конденсаторной батарее 7 подключают электроды 5, которые вместе с заготовкой /
установлены в камере, заполненной диэлектрической жидкостью 4 (водой). Напряжение Uc на обкладках конденсатора должно быть
достаточным для пробоя межэлектродного промежутка. Когда на-
ряжение Uc достигнет пробивного значения t/np, в разрядной цепи быстро нарастает сила тока I. В жидкости возникает канал разряда и газопаровой пузырь. Вследствие высокого давления в рабочей камере заготовка 1 деформируется и заполняет полость в матрице 2,
Пробой жидкости. Начальную энергию конденсаторов подсчитывают по формуле Ec = CUc2l2, где С — емкость бата-
Рис. VII.2
реи. Полагают, что начальное напряжение батареи Uc = U^. Меха-
низм пробоя рабочей среды в общем такой же, как при электроэро-зионной обработке (см. ч. I). Однако техническая вода обладает
некоторой электропроводностью, благодаря чему происходит ее
местное вскипание еще тогда, когда напряжение на электродах Uc<U^. Поэтому заметная часть энергии расходуется еще до пробоя.
После пробоя в жидкости образуется канал разряда начальным диаметром в десятые доли миллиметра. В окружающей жидкости возникает ударная волна. Чтобы большая часть энергии конденсаторов преобразовалась в энергию ударной волны, необходим разряд с высокой скоростью нарастания силы разрядного тока /. Этого добиваются подбором параметров разрядной цепи.
После разрядов в воде накапливаются продукты эрозии электродов и газовые пузырьки. Если жидкость не менять, то продолжительность ее использования влияет на значение пробивного напряжения, на устойчивость пробоя и последующего разряда, а также на показатели самой обработки. Разряд иногда стабилизируют про-
дольным магнитным полем.
Процессы в разрядной цепи. Для описания электрических процессов разрядную цепь представляют схемой замещения — совокупностью идеализированных элементов: индуктивных и емкост-
ных.
Схема замещения (рис. VII.2) содержит емкость С конденсаторной батареи, а также небольшую индуктивность L экв ПОДВОДЯЩИХ проводов и самого канала разряда. Активным сопротивлением /?экв учитывают все необратимые потери энергии, главным образом в канале разряда.
Обычно принимают, что разрядная цепь линейная, a /?9KB = const. Электрическое состояние цепи описывают уравнением, вытекающим из второго закона Кирхгофа для мгновенных напряжений:
(VII.1)
где Uc, ULi UR — мгновенные напряжения соответственно на емкостном, индуктивном и резистивном элементах. Из электротехники известно, что эти напряжения связаны с мгновенным значением
Рис. VII.3 силы разрядного тока /:
£7c=J-[/dT; ^=^кв/-
С J а и
Если последние выражения подставить в соотношение (VII. 1) о его продифференцировать, то получится дифференциальное уравнение второго порядка относительно силы тока:
£вквС-^-+/?эю.С-^-+7=0. (VII.2)
Начало разряда конденсаторов при т = 0 соответствует моменту пробоя жидкости. Начальное напряжение t/c(0) = С7пр, начальная сила тока /(0) =0.
Технологические показатели обработки в большой степени зависят от характера разряда. При большом эквивалентном сопротивлении /?экв разряд апериодический, а при малом сопротивлении' <А,экв< 2 VLэкв/^) затухающий периодический с периодом
Т. Последний вид разряда обеспечивает наиболее быстрое нарастание силы тока /, а также мгновенной мощности P=I2Rwb в канале (рис. VII.3). Это необходимое условие создания мощной ударной волны и преобразования значительной части электрической энергии в механическую.
За первый полупериод 0^т^0,5 Т в канале выделяется значительная часть энергии конденсаторной батареи. Амплитуда силы тока и выделяемая в канале энергия уменьшаются по мере затухания колебательного процесса в разрядной цепи.
Если при соответствующих начальных условиях, т. е. /?экв = = V ^экв/С, решить уравнение (VIL2), то наибольшая сила тока (рис. VII.3) в первом приближении
/fflax=0,57/np]/C^ (VII.3)
Эта сила тока достигается примерно за время т = Т/4, где Т — период собственных колебаний разрядной цепи. Как известно из электротехники, ___
7=2л/£С, (VII.4)
откуда Т/4 ж 1,6 УТс,
где Т выражено в секундах (с); L — в генри (Гн); С —в фарадах (Ф).
В этот момент мгновенная мощность
Лпах=/?экв/тах. (VII.5)
В течение первой четверти периода мгновенная мощность разряда изменяется примерно по линейному закону (рис. VII.3). Можно принять, что мгновенная мощность увеличивается пропорционально времени:
^=[^тах/(0,25Г)И. (VII.6)
Канал разряда между электродами для окружающей жидкости представляет цилиндрический источник энергии. Интенсивность процесса определяется удельной мощностью Р/1П, где /п — длина промежутка.
Если в соотношение (VJI.6) подставить выражения (VII.3), (VII.4) и (VII.5), то в течение первой четверти периода удельная мощность окажется пропорциональной времени разряда: Р11ц= = Крх, где
/<Р=0,156/^р/4кЛ. (VI1.7>
Постоянная КР — одна из важнейших характеристических величин, определяющих технологические показатели электрогидравлической обработки.
Из электротехники также известно, что в магнитном поле индуктивного элемента накапливается энергия El^=L^I2!2, Эта энергия максимальна в конце первой четверти периода, когда сила тока достигает значения /max (рис. VII.3). Вследствие большой силы разрядного тока эта энергия довольно велика. Когда ток в течение второй четверти периода уменьшается, энергия магнитного поля переходит в энергию электрического поля конденсаторов. Запасание энергии в магнитном поле уменьшает долю энергии конденсаторов, расходуемой в течение первой четверти периода на создание ударной волны. Для повышения КПД процесса необходимо уменьшать индуктивность разрядной цепи.
Ударная волна — это область повышенного давления, распространяющаяся в жидкости в радиальном направлении от канала разряда. На небольшом расстоянии от канала ударная волна имеет форму цилиндра, а при удалении от области разряда становится сферической.
На фронте ударной волны величины, описывающие состояние жидкости, изменяются скачком (рис. VII.4). В частности, давление увеличивается от исходного атмосферного ра до очень высокого давления на фронте Рф»ра. Вследствие сжатия повышается плотность жидкости от нормальной рж до рф. На фронте ранее неподвижные частицы жидкости приобретают скорость ^ф. Фронт ударной волны движется со скоростью с'у.в.
Для расчета показателей электрогидравлической обработки необходимо знать значения указанных величин на фронте ударной
волны. Если в системе координат, движущейся вместе с фронтом, составить законы сохранения, то величины оказываются взаимосвязанными. В такой системе неподвижная жидкость перед фронтом обладает относительной скоростью — уу.в, а скорость жидкости относительно фронта равна у = уу.в—Уф. Согласно закону сохранения массы,
Рж^у .в — Рф fay .в ^ф)‘
В соответствии с законом сохранения импульса
Ра + РЯ®У.»=Рф + Рф (®у.в ~ 'М2-
(VII.8)
(VII.9)
Рк После пробоя жидкости от оси кана
ла расходится цилиндрическая ударная волна. Скорость фронта уу.в цилиндрической ударной волны и его текущий радиус Гф связаны соотношением г'у.в = дгф/дт.
Если в первой четверти периода мощность разряда согласно выражению (VII.6) нарастает линейно, то по закону сохранения энергии скорость фронта цилиндрической волны постоянная. Из теории ударных волн следу
ет, что
^.в=0,7^^;. (VII. 10)
Обычно при т<0,1 ... 0,3 мкс скорость-фронта fy.B—lO4 м/с, а радиус Гф«* ~1 мм. Скорость фронта иу.в не может быть меньше скорости звука в жидкос-
ти Озв, и постоянная Кр имеет наименьшее допустимое значение Kpmin, определяемое согласно выражению (VII.10):
А__________
^>7" у ^Рт1п/?ж > ^зв*
(VII.11)
Согласно выражениям (VII.7) и (VII.11), в применяемой рабочей жидкости ударная волна может возникать только при определенных соотношениях между начальным напряжением разряда (7пр, длиной промежутка Zn и индуктивностью разрядной цепи L3kb. Таким образом, неравенством (VII.11) устанавливаются условия осуществимости электрогидравлического формообразования.
Пока мощность в начале разряда растет линейно, а уув== const согласно выражениям (VII.8) и (VII.9), давление рф на фронте расходящейся ударной волны постоянно. Его можно найти, если подставить величину (уув—Уф) из выражения (VII.8) в уравнение (VII.9) и принять, что для воды существует связь между давлением и плотностью:
Рф — Р^ = ^' Ю^Рф/Рж — 1),
где р — выражено в паскалях (Па). Для воды давление на фронте ударной волны можно оценить по формуле
Рф=Рж^.в-3-108. (VII.12)
Если в соотношение (VII.12) подставить выражения (VII.7) и (VII.10), то
^ф==0,5/рж/СР-3.109==0,2г/прГрж/(£91(Л)-3-109. (V1I.13)
Так же как и скорость фронта, давление на фронте не зависит от емкости разрядной цепи, но растет с повышением напряжения, уменьшением индуктивности и длины промежутка. Соотношением (VII.13) предопределяются основные показатели электрогидравлической обработки при цилиндрической ударной волне.
При известных давлении /?ф и плотности рф на фронте, а также скорости фронта уу.в по формуле (VII.8) можно определить скорость жидкости иф на фронте. Эта скорость слабо зависит от индуктивности и длины разрядного промежутка, но заметно увеличивается с повышением начального напряжения разряда. Обычно скорость частиц на фронте v$> 100 м/с. Описанные для цилиндрической ударной волны качественные закономерности сохраняются и для сферической ударной волны.
После того как рост мощности разряда прекращается, т. е. при 0,25 7’, скорость фронта, давление и скорость частиц жидкости начинают уменьшаться. На расстоянии, в несколько раз превышающем длину межэлектродного промежутка, фронт ударной волны начинает приобретать сферическую форму. При большом удалении от оси канала ударная волна переходит в мощную акустическую волну, скорость фронта которой немного превышает скорость звука (в воде около 1500 м/с).
В течение первого полупериода колебаний (несколько микросекунд) в разрядный промежуток поступает до 80% энергии, запасенной конденсаторами. Эта доля энергии тем больше, чем больше длина промежутка и чем меньше напряжение, индуктивность и емкость разрядной цепи.
В течение первых десяти микросекунд разряда ударные волны многократно отражаются от заготовки и стенок камеры и рассеиваются. Давление в рабочей камере выравнивается, оставаясь довольно высоким. Если камера замкнутая, газопаровой пузырь расширяется слабо. Следовательно, динамическое течение жидкости незначительно и вызывается лишь деформацией заготовки и сжатием газа, находившегося в камере до разряда. Если камера большая, то сила тока разряда слабо зависит от ее размеров. В малом объеме ток может прекратиться уже после первого полупериода; возможно, это объясняется действием отраженных ударных волн.
Объем парогазового пузыря увеличивается с ростом начального напряжения и емкости конденсаторной батареи. При формообразовании в воде газовыделение невелико (~10-6 м3 за один разряд).
Деформация заготовки вызывается силами, возникающими при подходе к заготовке фронта ударной волны. Как известно из физики, сила, с которой поток действует на неподвижную преграду (в данном случае заготовку), представляет сумму гидростатического рф и динамического 0,5 рф^ф2 давлений. Когда поверхность заготовки в процессе деформации приобретает скорость v3i то динамическое давление равно 0,5рф(с*ф—v3)?. В данном случае плотность поверхностных сил, вызывающих деформацию заготовки,
/п=РфН-0,5рф^ф-1>3)2. (VII.14)
Величина fn максимальна, когда фронт ударной волны подхо-дит к еще неподвижной заготовке и у3 = 0, а гидростатическое давление потока равно давлению рф на фронте ударной волны.
Из общего выражения (VI 1.14) следует, что в момент подхода фронта ударной волны к заготовке плотность поверхностных сил
Л=Рф + 0,5?ф4 (VII.15)
Давление на фронте сохраняется постоянным примерно всю первую четверть периода, т. е. до тех пор, пока ударная волна не отойдет от оси канала на расстояние 0,25 Тиу. в. Согласно выражениям (VII.4), (VII.7) и (VII. 10), это расстояние увеличивается с ростом периода колебаний и постоянной КР, т. е. с повышением напряжения пробоя f/np, емкости конденсаторов С и эквивалентной индуктивности Лэкв разрядной цепи, а также при уменьшении межэлектродного расстояния. Если заготовка расположена от оси разряда на расстоянии /<0,25Гиу. в, то давление на фронте наибольшее и определяется соотношением (VII.13).
По мере увеличения скорости деформации заготовки и затухания ударных волн плотность поверхностных сил снижается и фор-' мообразование продолжается благодаря инерции заготовки и высокому гидростатическому давлению в камере.
Согласно энергетической теории прочности, если плотность потенциальной энергии для линейно-напряженного состояния меньше допустимого предела, то деформация упругая. Предел текучести от зависит от температурно-скоростных условий, а также степени деформации, в частности для алюминиевого сплава сгт~300 МПа. Плотность поверхностных сил должна превышать предел текучести, т. е. /п>От. Экспериментально установлено, что давление на фронте ударной волны в десятки и сотни раз превышает предел текучести.
Когда фронт ударной волны достигнет поверхности заготовки, то спустя некоторое время (~ 100 мкс) начинается само формообразование. Ударная волна частично отражается, а частично переходит в заготовку, где распространяются продольные и поперечные волны. При отражении ударной волны от заготовки в жидкости возможна кавитация.
Абсолютные скорости деформации заготовки превосходят 100 м/с. Процесс деформации определяется значениями трех главных напряжений, инерцией, температурой и временем. Вид напря-98
женного состояния в ходе процесса меняется: начальное неравновесное объемное сжатие (с возможными сдвиговыми деформациями) переходит в объемное равновесие. Объем материала заготовки в процессе деформации сохраняется постоянным.
Ускорение dv3/dr, а следовательно, и инерция стенок заготовки в начале деформации велики по сравнению с напряжениями. По второму закону Ньютона для единичной площади поверхности заготовки справедливо соотношение
4^. (VH.16)
ат
где рз и Л3 — соответственно плотность и толщина стенок заготовки. Соотношением (VII.16) определяются ускорение и кинетическая энергия заготовки. По мере
разгона деформируемой стенки падает плотность поверхностных сил /п и какое-то время заготовка движется с постоянной скоростью v3. При этом, согласно закону сохранения энергии, степень деформации обратно пропорциональна пределу текучести, начальному значению радиуса и толщине стенок заготовки, а также прямо пропорциональна энергии
разряда.
Таким образом, деформация данной заготовки определяется параметрами разряда, в частности напряжением пробоя и емкостью конденсатора; при определенных их значениях деформация наибольшая.
Чтобы уменьшить скольжение заготовки в матрицу, специальными деталями 6 (см. рис. VII.1) края заготовки 1 прижимают к матрице 2. Недостаточный прижим может вызвать коробление заготовки и износ матрицы. Если прижим слишком сильный (скольжение между заготовкой и матрицей отсутствует), то формообразование сводится к растяжению листовой заготовки. В таком случае трудно добиться большой глубины прогиба.
В процессе формообразования заготовка нагревается вследствие пластической деформации и вихревых токов, которые наводятся быстроизменяющимся магнитным полем тока разряда. Помимо нагрева возможны остаточный наклеп и наведение внутренних напряжений, в том числе структурных.
При раздаче алюминиевых труб типичные зависимости плотности поверхностных сил fn, скорости деформирования v3 и перемещение б заготовки показаны на рис. VII.5. Сила и скорость деформирования имеют максимальные значения, которые достигаются за время, зависящее от условий обработки. Деформация заготовки в процессе обработки растет монотонно.
Если энергия конденсаторной батареи мала, а глубина штамповки велика, то формообразование проводят несколькими последовательными разрядами.
Как и при электроэрозионной обработке, происходят эрозия электродов (особенно при энергии конденсаторов С6/с2/2>20кДж) и распыление их материала в рабочей среде. Условия разряда подбирают так, чтобы эрозия электродов была наименьшей, например увеличивают длину промежутка (более 20...25 мм). Электроды обычно изготовляют из латуни, металлокерамических сплавов на основе вольфрама и др. Из-за эрозии электродов увеличивается удельная проводимость рабочей жидкости-примерно обратно пропорционально энергии разрядов, приходящейся на единицу объема камеры. В результате со временем разрядный ток уменьшается, а процесс обработки становится неустойчивым.
КПД процесса. Полезная работа необходимая для формообразования, определяется как произведение объема заготовки на удельную работу деформации. Последнюю величину рассчитывают по истинному растягивающему напряжению и действительной деформации. КПД i\=W$/E, где Е— энергия, которая потреблена за время изготовления одной детали. Часть этой энергии расходуется в процессе зарядки конденсаторной батареи. При электрическом разряде в воде на предпробойной стадии может теряться 10...50% энергии, накопленной конденсаторами. При разряде энергия конденсаторов кроме деформации заготовки затрачивается на разложение и нагревание жидкости, на сообщение ей кинетической и потенциальной энергии. КПД зависит от вместимости рабочей камеры и длины разрядного промежутка. При оптимальных параметрах Процесса Т|тах=0,3.
§ 1.2. Формообразование при электрическом взрыве проводников
В установке для формовки электрическим взрывом (рис. V1I.6) сила тока I при разряде конденсатора протекает по прямолинейной проволоке 1. При ее взрыве на стенки трубчатой заготовки 2 действуют поверхностные силы Fn, благодаря которым производится деформация заготовки 2 по форме матрицы 3. Этот процесс происходит более стабильно, поскольку его параметры не зависят от электропроводности рабочей жидкости.
Начальное напряжение конденсаторной батареи не превышает нескольких киловольт. Как и при электрогидравлической формообразовании, параметры разрядной цепи подбирают так, чтобы наибольшая часть энергии конденсаторов выделилась в проволоке за первый полупериод разрядного тока. При /?Экв=К Д>кв/С за это время в промежуток поступает 30...40% энергии, накопленной в конденсаторах. При разряде конденсаторов резкое нарастание тока вызывает быстроменяющееся магнитное поле. Это поле создает поверхностный эффект, благодаря которому ток сосредоточен в узком внешнем слое проволоки. В этом слое выделяется теплота, ко-100
торая передается как во внутренние области проволоки, так и в жидкость. Проволока плавится, окружающая жидкость испаряется — от проволоки отходит ударная волна. Скорость ее фронта тем больше, чем больше начальное напряжение. К центру проволоки распространяется волна сжимающих напряжений. Начинается тепловой взрыв проволоки: ток разряда очень быстро падает (рис. VII.7), внешние слои проволоки испаряются, а фронт испарения перемещается к оси проволоки. Электропроводность насыщенного пара невелика, но иногда наблюдается образование плазмы.
Разлет расплавленной перемычки предотвращается силами отдачи паров и индукцией В магнитного поля, создаваемого разрядным током (см. рис. VII.6). Благодаря взаимодействию тока и поля на проволоку в радиальном направлении действуют сжимающие силы (пинч-эффект).
После падения тока возможен электрический разряд в канале, заполненном паром (рис. VII.7). Характер изменения силы тока I зависит от параметров разрядной цепи и продолжительности дви-. жения по проволоке фронта испарения. Тепловой взрыв проволоки обычно продолжительнее разряда в жидкости.
Параметры электрического взрыва прямолинейного проводника определяются индуктивностью и емкостью разрядной цепи, начальным напряжением конденсатора, длиной, диаметром и числом проволок. Спиральная проволока взрывается несколько быстрее, чем прямолинейная (обычно за */< периода). Это объясняется тем, что магнитное поле В, вызываемое током /, имеет конфигурацию, которая слабее препятствует разлету электропроводной перемычки (рис. VII.8).
Явления, следующие за взрывом электропроводного вещества, в общем такие же, как после электрического разряда в жидкости. Возникают ударная волна и газопаровая полость с высоким давлением. Как правило, КПД процесса выше, чем при разряде в жид-
кости. При определенных длине и диаметре проволоки КПД наибольший. Объем взрываемой проволоки должен быть пропорциональным энергии, накопленной в конденсаторах.
§ 1.3. Нанесение покрытий электрическим взрывом проводника
Данная разновидность электровзрывной обработки осуществляется в вакууме взрывом проволоки или фольги, изготовленной из электропроводного материала, которым покрывают изделие.
Физические процессы в разрядной цепи и электропроводной перемычке протекают аналогично электрическому взрыву электропроводных материалов в жидкости. В течение очень короткого времени электропроводный материал переходит в расплавленное состояние. Жидкая перемычка сохраняется благодаря силам отдачи паров, поверхностному натяжению и действию магнитного поля. Иногда происходит электрический разряд вдоль испарившейся проволоки. Тогда разрядный ток падает и затрудняется или вообще становится невозможным взрыв проводника. Такое явление характерно для тугоплавких веществ, например вольфрама.
Электрический нагрев поверхностных слоев проволоки приводит к плавлению, взрывному испарению и разлету частиц наносимого вещества. Для получения необходимой плотности потока частиц необходимо, чтобы плотность разрядного тока была выше некоторого определенного значения. В противном случае проволока лишь нагревается и распадается на крупные капли расплава.
Экспериментально получено, что диаметр частиц, на которые распадается проволока, составляет 10~9...10~5 м. Крупные капли, возникают при распылении расплава, мелкие после конденсации пара или дробления более крупных частиц. С ростом энергии взрыва и скорости ее. ввода в проволоку размер частиц уменьшается. Теплота, выделенная в проволоке, составляет лишь около 40% энергии конденсаторной батареи. Она преобразуется в кинетическую £к и тепловую £т энергию распыляемого вещества. Кинетическая энергия пропорциональна массе проволоки и квадрату средней скорости разлета частиц, достигающей нескольких сотен метров в секунду. Тепловая энергия частиц распыленного вещества определяется их температурой. Если предположить, что все вещество испаряется без заметного перегрева, то тепловая энергия пропорциональна удельной энергии парообразования и объему проволоки.
Для получения хороших покрытий необходимо подобрать оптимальное расстояние от проволоки до поверхности изделия. Если расстояние слишком велико, то наносимое вещество охлаждается и качество покрытия снижается; если оно мало, то покрытие будет неравномерным по толщине.
Образование покрытия происходит благодаря осаждению на поверхности изделия большого количества частиц. При ударе о поверхность изделия возможны кавитация внутри капель и их вспучивание. Обычно капли расплющиваются, по краям образуется не-102
большой валик. Иногда крупные частицы разбрызгиваются или вскипают, что ухудшает качество покрытия.
Соприкасаясь с заготовкой, частицы привариваются к ее поверхности. Кинетическая энергия частицы преобразуется в теплоту и энергию поверхностных волн, активирующих окружающий участок поверхности изделия. Оценки показывают, что одна частица накладывается' на другую примерно через 10~5 с. Покрытие толщиной до 15 мкм образуется за 10-4 с. Средняя толщина покрытия определяется объемом распыляемого материала:
hn — ’
где dnp и /Пр — соответственно диаметр и длина распыляемой проволоки; 5изд — площадь покрываемой поверхности. Данным методом нельзя получить сплошные зеркально-гладкие покрытия. Прочность сцепления довольно высокая, например, для вольфрамовых покрытий со стальной подложкой она составляет около 240 МПа, а с медью—100 МПа. Пористость покрытия невелика, а содержание кислорода в нанесенном слое незначительно.
ГЛАВА 2. ТЕХНОЛОГИЯ ЭЛЕКТРОВЗРЫВНОЙ ОБРАБОТКИ
§ 2.1. Штамповка
Одна из схем технологического процесса листовой штамповки электрическим разрядом представлена на рис. VII.9.
В камере 1 установлены изолированные электроды 2. Камеру 1 герметизируют от заготовки 8 резиновой прокладкой 9. Заготовку 8, прокладку 9 и камеру 1 крепят к матрице 10 и камере 11. При подаче напряжения от конденсаторной батареи на электроды 2 в жидкости 3 происходит электрический разряд. Механическое усилие через резиновую прокладку 9 передается на заготовку 8, которая прилегает к стенкам матрицы 10, образуя деталь 13 (на рисунке показана пунктиром).
Для удаления газа, возникающего после разряда, служит ресивер 6. Канал 5, соединяющий рабочую камеру 1 с ресивером 5, имеет криволинейную ось, чтобы погасить ударную волну. С помощью крана 7 накопившийся газ периодически удаляют. При отражении ударной волны в камере 1 могут образовываться кавитаци-
Рис. VI 1.9
онные полости, что снижает общее усилие деформации. Для устранения кавитации в камеру 1 по каналу 4, который также выполнен с криволинейной осью, под давлением нагнетают рабочую жидкость. Ее можно также вводить периодически, согласуй во времени с разрядом.
При деформации скорость перемещения заготовки и3^100 м/с. Воздух в пространстве между заготовкой и матрицей не успевает вытесняться через технологические отверстия 12 и создает противодавление, препятствующее плотному прилеганию заготовки 8 к матрице 10. Для повышения точности обработки воздух из камеры 11 откачивают вакуумным насосом. При штамповке особо точных деталей матрицу изготовляют из мелкопористого материала или создают на ее поверхности повышенную шероховатость.
Межэлектродный промежуток может располагаться как горизонтально, так и вертикально. Во втором случае одним из электродов обычно служит сама заготовка. При обработке крупных заготовок штамповка одним разрядом нецелесообразна, так как при этом нееобходимы мощные и громоздкие электрические устройства. Для обработки больших заготовок в различных местах камеры размещают несколько пар электродов или передвигают одну пару электродов вдоль поверхности заготовки. При первом способе возможна одновременная обработка всей заготовки благодаря сразу нескольким разрядам, при втором — обработка ведется последовательными разрядами. •
Как при электроэрозионной обработке, для пробоя межэлектродного промежутка на электроды подают высокое импульсное напряжение от маломощного источника, а после пробоя — более низкое напряжение от мощного источника. Напряжение пробоя можно уменьшить, если в межэлектродное пространство ввести частицы электропроводного вещества. Можно использовать пониженное напряжение, воздействуя на межэлектродную среду ионизирующим излучением лазера.
Как упоминалось в гл. 1, деформация заготовки — процесс инерционный, т. е. деформация продолжается и после непосредственного воздействия на нее ударной волны. Это явление используют, включая последовательно несколько пар электродов по заданной программе. В местах значительных деформаций следует предусмотреть либо многократные разряды, либо повысить энергию одного разряда.
При штамповке цилиндрических заготовок электроды помещают по оси симметрии, как показано на рис. VII. 1. Эту технологическую схему применяют для получения гофров, конических или конусных деталей.
Благодаря резиновой прокладке 9 (рис. VII.9) сокращается время установки заготовки, так как при этом можно не сливать рабочую жидкость из камеры 1. При обработке крупных заготовок можно использовать принцип «стакана» с резиновым дном, внутри которого находится жидкость и установлены электроды. Перемещая стакан по заготовке, можно последовательными разрядами произвести деформацию по всей поверхности.
Для электрогидравлической штамповки применяют импульсы высокого напряжения, так как при напряжении на электродах ме-104
нее 30 кВ разряд неустойчивый. Кроме того, при повышении напря? жения растет КПД процесса.
Электрогидравлическая объемная штамповка и ковка могут осу? ществляться с помощью вспомогательного элемента, передающего
усилие к заготовке, например металлического поршня.
На рис. VII.10 показана схема электрогпдрав-лического пресса, в котором поршень 5 под воздействием разряда от электродов 3 ударяет по заготовке 6, установленной на столе 7. После разряда благодаря пружинам 4 поршень 5 возвращается в исходное положение. Для увеличения усилия на заготовку в камере 2 сделан канал /, связывающий ее, например, с гидравлической сис темой. Работа этой системы согласована по времени с электрическими разрядами между электродами 3,
Рис. VII.10
Известна также электрогидравлическая штамповка экструзией. Для этой цели несколько пар электродов располагают в пространстве последовательно. Если разряды в них возникают также последовательно с небольшой задержкой, то в камере можно получить высокое давление. Заготовку помещают за последними электродами в ресивере, в котором имеется фильера с выходом в атмосферу. Благодаря высокому давлению в ресивере возможно экструзионное выдавливание металла заготовки через отверстие фильеры.
§ 2.2. Очистка изделий
Очистка изготовленных деталей — одна из самых распространенных операций в технологии машиностроения. Использование электрогидравлической очистки значительно повышает производительность этой операции для многих видов изделий.
В известных способах очистки, например литья, — гидропеско-струйной, дробеструйной, дробеметной и др. — очень трудно добиться полной автоматизации процесса. С этой точки зрения при очистке литых деталей сложного профиля из высокопрочных материалов преимущества электрогидравлической очистки проявляются в полной мере.
Принцип электрогидравлической очистки изделий поясняется рис. VII.11. На основании 5 установлена ванна 4, в которой размещена решетка 6 с заготовками 7. Над ними по траверсе 3 перемещается тележка 2 с электродом 1. В нижней части ванны 4 размещен транспортер 8. На нем осаждаются частицы 9, удаленные с поверхности заготовок в результате разрядов, а затем извлекаются из ванны 4. Корпус ванны заземлен, и разряды возникают между заготовками 7 и электродом 1. Как и при штамповке, в данном случае можно использовать как один электрод, перемещаемый по заданному пути над ванной, так и несколько электродов, расположенных над заготовками 7.
При использовании одного электрода необходимо поддерживать постоянную высоту его расположения над заготовками, так как от нее зависят параметры разряда, а следовательно, и качество очистки изделий. Обычно для этого применяют механические копиры, с помощью которых электроды перемещаются в зависимости от из-
менения положения обрабатываемых поверхностей заготовок. Площадь поверхности заготовки, надежно очищаемая одним разрядом, обычно ограничена окружностью диаметром 150...400 мм. Поэтому необходимо согласовывать время между разрядами с расстоянием, пройденным электродом. Если очистку проводят несколькими электродами, то их устанавливают на расстоянии 300 ... 400 мм друг от друга.
Как показывает опыт, электрогидравлическую очистку лучше всего выполнять сразу после литья. Заготовки в опоках поступают в установку для очистки. Под действием разрядов формовочная земля отделяется от опок и литья и вместе со стержневыми составами выпадает через решетку 6 на транспортер 8 (рис. VII.11). Эти отходы после соответствующей обработки снова используются в литейном производстве.
Применяют также электрогидравлическую очистку непрерывно ' движущейся ленты. Через уплотнения лента входит в ванну, в которой установлены электроды с загрязненной стороны ленты. Скорость ленты или число электродов выбирают из вышеприведенных условий. Мелкие заготовки очищают в устройствах барабанного типа. В барабан с заготовками наливают рабочую жидкость. На электроды (или на один электрод и заготовки) подают импульсы напряжения. Так как барабан вращается, то действие разрядов постепенно испытывают все заготовки. Для стабилизации процесса необходима определенная по объему загрузка барабана заготовками. При этом следует предотвратить замыкания между электродами. Прокачкой рабочей жидкости из барабана удаляют продукты очистки. Крупные заготовки, которые трудно обрабатывать в камерах или барабанах, очищают по схеме «швабры» (рис. VII.12).
Под шарообразный колпак 3 вводят один или несколько электродов 5. Рабочую жидкость подают через патрубки 2. Полость герметизируют резиновой прокладкой 1. Все устройство перемещают по заготовке 6, например, с помощью манипулятора, механически связанного с элементом 4. Если в заготовке есть технологические отверстия, через которые может вытекать рабочая жидкость, то на время очистки их необходимо заглушить пробками из любого материала. 106
Достоинства данной схемы: простота устройства, малый расход рабочей жидкости, отпадает необходимость в сложном оборудовании. Этим способом очищают, например, корпуса судов «на плаву» (без постановки в док).
Электрогидравлическую очистку осуществляют и по схеме, когда в результате разряда в полости из нее через узкое сопло выбрасывается струя абразивной суспензии. Очистка заготовок производится этой струей, обладающей очень высокой скоростью, направляемой на обрабатываемую поверхность. Абразивный материал можно добавлять в рабочую жидкость непосредственно перед выходом ее из сопла. Для повышения эффективности очистки в качестве рабочей среды используют электролит, а на заготовку или рабочую среду подают потенциал. Таким способом можно производить и разрезание заготовок толщиной до 6 мм.
§ 2.3. Получение неразъемных соединений
Электрогидравлическую обработку используют для развальцов^ ки, обжатия и в других подобных технологических операциях. Это позволяет механизировать наиболее массовые операции, ранее производимые вручную.
В судостроении, энергетическом машиностроении, химической промышленности широко применяются трубчатые теплообменники. Чтобы улучшить рабочие свойства теплообменников, их изготовляют из высоколегированных сталей, плохо поддающихся сварке. Для крепления труб в трубных решетках стали применять электрогидравлическую запрессовку. Процесс осуществляют с помощью специальных патронов одно- или многоразового действия. На рис. VII.13 приведена схема запрессовки с патроном одноразового действия.
Внутри герметизированной резиновой трубки 1 установлены два электрода 2. Пространство между ними заполнено рабочей жидкостью 3. Патрон вставляют внутрь трубы 4, помещенной в трубной решетке 5.
При подаче импульса напряжения на электроды 2 возникает разряд. Резиновая оболочка патрона расширяется и деформирует трубу 4. В результате операции обеспечивается неразъемное соединение трубы 4 и решетки 5 благодаря гарантированному натягу на поверхности трубы 4. Для повторных операций патрон не используется.
Качество соединения трубы с решеткой улучшают целым рядом конструктивных и технологических мероприятий. Так, на поверхности отверстий трубной решетки предусматривают особые канавки, которые при разряде заполняются пластически деформированным металлом трубы. Тем самым повышается сцепление трубы с решеткой. Иногда на сопрягаемые поверхности решетки и трубы наносят слой вещества, которое при запрессовке заполняет все неровности на поверхностях сцепления.
Для повышения качества запрессовки необходимо соблюдать ряд условий: 1) диаметральный зазор между внутренней поверхностью трубы и наружной поверхностью патрона не должен составлять более 4% внутреннего диаметра трубы; 2) длина гильзы пат-
рона равна или немного меньше длины запрессовки (толщины трубной решетки); 3) зазор между трубой и стенкой отверстия в решетке не должен превышать 2% наружного диаметра трубы; 4) соединяемые поверхности должны быть тщательно зачищены и обезжи
рены.
Принцип работы патрона многоразового действия поясняется с помощью рис. VII.14.
Рис. VII.14
В данном устройстве область разряда вынесена за пределы' трубы. Патров-' состоит из корпуса 1, в который вставлены электроды 2. Давление, созданное разрядом, перемещают поршень 3, жестко связанный со втулкой 4. Упругое кольцо 6 под действием на него промежуточного элемента 5 и втулки 4 сжимается в осевом направлении и раздается в радиальном. Благодаря этому труба 7 деформируется и закрепляется в трубной решетке 8.
Межэлектродный промежуток можно закоротить взрывающейся проволочкой, а в рабочую жидкость иногда вводят вещества, облегчающие пробой промежутка и стабилизирующие разряд.
В силу ряда недостатков патроны многоразового действия применяют реже, чем патроны одноразового действия.
Для операции обжатия взрывающуюся проволоку спирально наматывают на изолированную поверхность цилиндрической заготовки, предварительно покрытую, например, лаком. Шаг намотки и размеры проволоки выбирают так, чтобы необходимую деформацию заготовки получить за один разряд. При подаче импульсного напряжения проволока взрывается и деталь обжимает основу. При электрогидравлической запрессовке прочность соединений на 20... 30% выше, чем при запрессовке механическим способом. По сравнению с механической запрессовкой производительность повышается в 30 раз, во столько же раз уменьшается расход энергии. Себестоимость операции снижается в 2,5 раза.
Электровзрывной обработкой можно исправлять бракованные изделия: восстанавливать раздачей размеры изношенного поршне-\108
вого пальца, править помятости на заготовке, помещаемой в контрольную форму, и т. д.
§ 2.4. Дробление материалов
Электрогидравлическое дробление применяют для измельчения только хрупких материалов. Известно два способа обработки: внешним или внутренним разрядами. При внешнем разряде один электрод устанавливают над размельчаемым материалом, который служит вторым электродом. При подаче импульсного напряжения происходит разряд, механическое действие которого приводит к раскалыванию частиц материала. При многократных разрядах материал постепенно измельчается и проваливается через сетчатое дно. Размером ячеек сетки задается степень измельчения.
При внутреннем разрядев измельчаемом теле просверливают отверстия, в которые вводят электроды (или один электрод, если вторым является заготовка). Дробление происходит вследствие разрядов в объеме самого тела.
Если необходимо измельчать куски металла, то их можно смешать с каким-нибудь вязким неэлектропроводным материалом, например с пластмассой, в объемном соотношении 1 : 5. В результа-. те действия разрядов разрушаются преимущественно куски металла, которые затем отделяются от вязкого наполнителя благодаря разнице плотностей.
На показатели процесса дробления существенно влияет частота следования разрядов. При большой частоте снижается КПД процесса, поскольку свойства рабочей среды не успевают восстанавливаться. Если рабочая среда в зоне обработки не сменяется, то оптимальная частота следования разрядов /ОПТ=15...25 Гц. При подаче свежей рабочей среды оптимальная частота разрядов выше. На степень измельчения влияет скорость поступления материала в рабочую зону. Избыток исходного материала приводит к его уплотнению, но не к измельчению.
При электрогидравлической дроблении у измельченных частиц остаются острые края, возникающие при хрупком раскалывании более крупных кусков. Так, бетон, полученный на щебне, который измельчен на электрогидравлической установке, обладает повышенной прочностью. Абразив после электрогидравлической обработки не имеет плоских и игольчатых зерен, что улучшает его технологические свойства.
При электрогидравлической дроблении зона обработки занимает небольшой объем. Поэтому можно использовать оборудование, не отличающееся высокой прочностью к ударным нагрузкам. Благодаря этому оборудование отличается простотой и низкой металлоемкостью.
Производительность электрогидравлического дробления мелких фракций достигает 450 кг/ч, крупных — до 2,5 т/ч. При этом средний расход энергии составляет 10...200 кВт-ч/т в зависимости от свойств исходного материала.
§ 2.5. Изменение свойств поверхности
• Электрогидравлический эффект используют для обработки заготовок с целью изменения свойств их поверхности, в частности для нанесения покрытий, упрочнения и наклепа, спекания и уплотнения.
Нанесение покрытий. Электрическим взрывом проводников можно наносить как металлические, так и неметаллические покрытия на поверхности заготовок. Процесс протекает в вакууме или газовой рабочей среде. Проволочному электроду придают форму поверхности заготовки и располагают его на расстоянии, при котором область действия электрического взрыва охватывала бы всю напыляемую поверхность.
Параметры импульса напряжения задают из условия, чтобы весь проволочный электрод (если наносится покрытие из металла) превратился бы в пар, а не в капли расплава. При этом обеспечи-вается надежное сцепление наносимого металла с поверхностью заготовки.
Если наносится неметаллическое покрытие, то исходный материал помещают в полый проволочный электрод. При взрыве проводника этот материал, испаряясь, покрывает обрабатываемую поверхность. Параметры импульса напряжения рассчитывают на полное испарение наносимого материала, но не на его сжигание. Можно получать многокомпонентные, а также многослойные покрытия* например, благодаря последовательному чередованию процессов с различными испаряющимися материалами.
Упрочнение и наклеп. Эти два явления почти всегда сопутствуют электрогидравлическому формообразованию, так как на заготовку действуют значительные механические нагрузки. Можно осуществлять и специальную технологическую операцию, в ходе которой на заготовку действуют такие усилия, которые вызывают только упрочнение или наклеп, но не изменяют ее формы. Если требования к качеству поверхности детали невысокие, то вместо второго электрода используют саму заготовку. В противном случае используют два электрода, а усилия к заготовке передают через промежуточное диэлектрическое упругое тело. Данную технологическую операцию применяют, например, для упрочнения проволоки, а в качестве электрода служит непрерывно подаваемая проволока.
Спекание и уплотнение. При электрогидравлическом разряде в массе опилок или стружек благодаря высокому давлению материалы уплотняются, а термическое воздействие тока приводит к их спеканию. Этот процесс применяют для брикетирования стружки.
Известны и другие области применения электрогидравлического эффекта: обезгаживание, перемешивание жидкостей, удаление шлаков и примесей, получение эмульсий расплавов металлов, деэмульгирование и т. д. Электрогидравлический эффект используют также для создания вибрации заготовок в соответствующих технологических процессах.
Электрогидравлический эффект можно использовать совместно с другими воздействиями на заготовку. Так, при штамповке или 110
деформации крупных или толстостенных заготовок сначала применяют электрогидравлическое формообразование, при котором снижается предел текучести обрабатываемого материала. Затем без паузы на данный участок заготовки воздействуют взрывом обычного взрывчатого вещества, чем и заканчивается деформация заготовки. Такое сочетание двух процессов позволяет повысить КПД и снизить себестоимость операции.
Электрогидравлический эффект применяют для прокачки рабочих сред, например при ЭХО или ЭЭО, когда несколько пар электродов устанавливается по тракту движения рабочей среды и последовательным их включением осуществляется прокачка среды.
ГЛАВА 3. ОБОРУДОВАНИЕ
§ 3.1. Электрическая часть установок
Функциональная схема генератора импульсов приведена на рис. VII.15. Батарея конденсаторов подключена к выходу выпрямителя через зарядный резистор, сопротивление которо-
Рис. VII.15
го /?з=^з//доп, где <73—выходное напряжение выпрямителя; /доп — допустимая сила тока выпрямителя, равная силе зарядного тока /3 в начале зарядки конденсатора, когда напряжение Uc~0. По мере увеличения напряжения Uc сила тока /3 падает.
Средняя мощность ввода энергии в разрядную цепь Рр= = (CUc2/2)/T$, где Гф — время между разрядами, которое в автоматизированных установках равно периоду формообразования. Входная мощность выпрямителя Рв=Рр/т)3, где т]з—КПД зарядного устройства.
С ростом силы зарядного тока 13 и уменьшением времени зарядки батареи КПД падает, так как увеличивается мощность преобразования электрической энергии в тепловую на зарядном резисторе /?3. Таким образом, производительность установки можно повысить лишь ценой снижения ее КПД, т. е. в конечном счете увеличением затраченной энергии. КПД данного генератора достигает 90% благодаря стабилизации зарядного тока /3 с помощью регулируемого автотрансформатора.
Генераторы большой мощности целесообразно включать непосредственно в высоковольтную промышленную сеть, не используя автотрансформатор и повышающий трансформатор. Это
делается для того, чтобы снизить потери энергии и уменьшить влияние работы установки на состояние сети.
В генераторах обычно применяют высоковольтные импульсные конденсаторы на основе бумажно-масляных диэлектриков или касторового масла. Конденсаторы второго типа обладают большей энергоемкостью (примерно в 1,5 раза) и большим (в 2,5 раза) сроком службы. При выборе типа конденсаторов учитывают так называемую стоимость одного разряда, которая определяется как отношение стоимости конденсатора к гарантированному числу его разрядов.
Современные высоковольтные импульсные конденсаторы имеют номинальное напряжение 50 кВ, номинальную емкость 1...5 мкФ, частоту следования разрядов до двух импульсов в секунду при гарантированном числе разрядов 3- 10б.
Разрядник обеспечивает подключение конденсаторов к электродам рабочей камеры. Различают типы разрядников: вакуумные, с твердым диэлектриком, а также высокого и атмосферного давления. Рабочие электроды разрядника отделены диэлектрическим промежутком, который соответствующими внешними воздействиями переводится в проводящее состояние.
В вакуумных разрядниках требуется непрерывно откачивать и удалять продукты разряда из его рабочего объема. Это значитель-' но усложняет как устройство, так и эксплуатацию разрядника.
Разрядники с твердым диэлектриком — это установки разового действия, поскольку после каждого разряда необходимо заменять диэлектрик.
Наиболее простым и распространенным является разрядник с воздушным промежутком под атмосферным или более высоким давлением. Существующие воздушные искровые разрядники рассчитаны на рабочее напряжение 5...100 кВ и максимальную силу разрядного тока 5...500 кА. Эти разрядники применяют при длительности импульсов тока от нескольких десятков до сотен микросекунд.
Воздушные разрядники изготовляют управляемыми и неуправляемыми. Последние используют, когда не требуется точно задавать начало разряда, например при штамповке, очистке, запрессовке, дроблении и т. п. На рис. VII.16 показана схема неуправляемого воздушного разрядника, рассчитанного на напряжение 50 кВ и силу тока 40 кА.
Разрядник состоит из подвижного электрода /, неподвижного электрода 2; корпусов 3 и 4, между которыми предусмотрена звукопоглощающая воздушная прослойка 5. В верхней части корпуса 4 имеется вентиляционное отверстие 6Г связанное с устройством для откачки газов из рабочего пространства разрядника. Токоподводы 7 соединяют разрядник с генератором импульсов и электродами рабочей камеры электровзрывной установки.
Перемещением электрода 1 производят настройку разрядника на заданный режим срабатывания. Например, когда напряжение на электродах 1 и 2 достигает 50 кВ, происходит пробой между электродами 1 и 2.
Управляемые разрядники применяют, в частности, для создания бегущего поля при операции экструзии или в электрогидравличе-112
ском насосе, где требуется выдержать время переключения согласно заданной программе. Управляемый воздушный разрядник отличается от неуправляемого лишь устройством электродов (рис. VII.17).
Электроды 1 и 2 неподвижны. Штоком 4 от электромагнитного привода перемещается элемент 3. Для устранения самопроизвольного разряда расстояние между электродами 1 и 2 устанавливается в 2 ... 5 раз больше того, при котором происходит пробой. Поэтому включение разрядника происходит при введении: между электродами подвижного элемента 3. Такие разрядники рассчитаны на напряжение 5 ... 10 кВ и силу тока 80 ... 100 кА.
При работе разрядника происходит эрозионный износ электродов. На их поверхностях образуются лунки, наплывы материала, что искажает распределение электрического поля между электродами и, следовательно, влияет на пробивное напряжение и приводит к неустойчивости работы разрядника. Для уменьшения износа электроды изготовляют в виде кольца с разрезом или секционными. При такой конфигурации возможно перемещение дуги по поверхностям электродов.
Работа разрядника сопровождается значительным шумом с уровнем в 90... 120 дБ. Благодаря применению воздушных прослоек и звукопоглощающих кожухов уровень шума снижают до 50...60 дБ. Металлические кожухи одновременно позволяют уменьшить радио-помехи, возникающие при работе разрядника.
Рядом преимуществ обладают игнитронные разрядники. Однако срок их службы почти в сто раз короче, чем у описанных выше устройств.
Токоподводящие кабели должны обладать наименьшей индуктивностью. Обычно применяют коаксиальные кабели. Ввиду высоких рабочих напряжений кабели дополнительно изолируют вакуумной резиной и крепят на изоляторах.
§ 3.2. Конструктивные особенности установок для различных видов электровзрывной обработки
Установки для штамповки крупных заготовок содержат три блока: 1) технологический (рабочая камера с заготовкой), 2) генератор импульсов, 3) устройство управления, которое размещается в звуконепроницаемой кабине оператора. Серийно выпускаются модели «Удар» и «Молния». Компоновка установок выполняется так, чтобы получить наибольший КПД и обеспечить безопасность обслуживающего персонала. Конструкция станин станков определяется размерами и массой заготовок. Для обработки крупных заготовок применяют колонные, С-образные и рамные станины.
Рабочие камеры установок выполняют закрытыми или открытыми. Открытые камеры (см. рис. VII.11) отличаются простотой и прочностью, но в них теряется часть энергии разряда. Закрытые камеры (см. рис. VII.9), хотя и сложны по устройству, позволяют сохранить на 20% энергии больше по сравнению с открытыми камерами.
Для перемещения электродов вдоль поверхности заготовки и самой заготовки обычно используют гидравлический привод. Рабочей средой обычно служит техническая вода. Масло применяют редко из-за его высокой стоимости.
В небольших электрогидравлических прессах энергия конденсаторной батареи невелика и составляет 10...50 кДж. Рабочую камеру выполняют разъемной — ее верхняя часть служит разрядной камерой, нижняя — матрицей. Такая конструкция позволяет быстро менять заготовки и включать данное устройство в поточную линию. Благодаря указанным достоинствам такие прессы широко применяются в промышленности.
Установки для очистки делятся на: а) тупиковые и проходные установки периодического действия; б) конвейерные установки периодического и непрерывного действия, в) специальные конвейерные установки непрерывного и периодического действия.
Тупиковые и проходные установки отличаются тем, что в них предусмотрена тележка, подающая и забирающая заготовки из рабочей камеры. Рабочую камеру выполняют в бетонированном приемнике, который закрывается защитными звуконепроницаемыми крышками. Эти установки рассчитаны на очистку заготовок массой 2,5...25 т. В проходных установках с одной стороны рабочей камеры заготовки загружают, а с другой удаляют. Установки данного типа наиболее универсальные.
Конвейерные установки, уже судя по названию, предназначены для встройки в конвейерные поточные линии. Они снабжены средствами взаимодействия с элементами этих линий. Эти установки специализированные; их проектируют для очистки заготовок определенного вида.
Действие установок, непрерывное или периодическое, определяется характером работы средств перемещения заготовок и устройств подачи напряжения на электроды.
Очистные установки располагают на мощных фундаментах, предусматривают средства их ограждения от прочих станков.
Установки для запрессовки просты по конструкции. В этих установках имеется механизм для перемещения патрона. Патрон вводится в трубу оператором или автоматически по программе. Для установки патрона применяют координатное устройство, обеспечивающее движение в двух взаимно перпендикулярных направлениях. Серийные установки модели «Молния» оборудованы как электромеханическими устройствами ориентации патрона, так и телевизионными мониторами.
Электрогидравлический вибратор. Принцип действия этого устройства такой же, как и у электрогидравлического пресса (см. рис. VII.10). Поршень, однако, не ударяет по заготовке, а вибрирует ее. В исходное положение поршень возвращается либо атмосферным давлением, либо пружинами. Частота вибрации, определяемая частотой разрядов и свойствами механической части вибратора, не превышает 30 Гц при амплитуде колебаний 2...30 мм. Особенность вибратора состоит в том, что создаваемые им колебания имеют крутой передний фронт.
В электрогидравлическом вибраторе очень просто вводится обратная связь по смещению заготовки. Это позволяет управлять частотой и амплитудой вибрации заготовки непосредственно в ходе процесса.
§ 3.3. Перспективы разработки электрогидравлических установок
Электрогидравлические установки весьма эффективны в современном производстве. Разработка более совершенных установок для технологических целей ведется в следующих направлениях: создание новых установок, обладающих широкими энергетическими, силовыми и скоростными возможностями;
повышение производительности за счет сокращения основного и вспомогательного времени благодаря, например, применению многоимпульсных систем и автоматизации загрузки заготовок и удаления деталей и продуктов обработки;
создание полностью автоматизированных установок;
повышение КПД установок путем совершенствования рабочих камер, разрядников, управляющих элементов разрядников, снижения индуктивности разрядной цепи;
снижение шума и электромагнитных помех; унификация узлов.
§ 3.4. Техника безопасности
Процессы, сопровождающие электровзрывную обработку, характеризуются повышенной опасностью для обслуживающего персонала. Опасность (в порядке уменьшения) могут представлять высо-
кое напряжение, шум, возникающий при разрядах в разряднике я рабочей камере, электромагнитное излучение, образование при разрядах вредных газов, движение механических частей установки.
Безопасность при работе на электровзрывных установках обеспечивают целым рядом технических и организационных мероприятий, и в частности соблюдением определенных правил работы обслуживающим и ремонтным персоналом.
К техническим мероприятиям относят прежде всего конструктивное исполнение установок, а именно: ограждение установки, наличие блокировок и сигнализации, соответствующая окраска токоведущих частей и т. д. В эти мероприятия включают также отработку оптимальных режимов технологического процесса.
Организационные мероприятия предусматривают безопасное расположение оборудования на участке, содержание рабочего места оператора, обязательное наличие личных средств защиты (резиновых ковриков, сапог, перчаток и др.).
В электровзрывных установках очень высока опасность поражения электрическим током, поэтому следует соблюдать общие правила электробезопасности.
К механической части электровзрывной установки предъявляются те же требования, что и к кузнечно-прессовому оборудованию. В связи с этим подвижные части должны быть огорожены и окрашены в соответствующие цвета.
Работа электровзрывной установки сопровождается значительным шумом. Электрогидравлические прессы, например, создают шум уровнем до 130 дБ (болевой уровень громкости составляет 120 дБ).
Однако в сравнении с кузнечно-прессовым оборудованием в случае электровзрывных установок вредное действие шума устраняется значительно проще. Электровзрывные установки практически не создают вибрационных колебаний. Кроме этого, пульт управления можно установить в отдельной операторской, чего по конструктивным соображениям нельзя сделать у кузнечно-прессового оборудования. Уровень шума в операторской снижают с помощью звукопоглощающих материалов, а вблизи самой установки размещают звукопоглощающие элементы или кожухи. Благодаря этим мероприятиям добиваются снижения шума до уровня, разрешаемого санитарно-гигиеническими нормами.
Чтобы в окрестности работающей установки уменьшить электромагнитные поля, применяют защитные металлические экраны. С их помощью электромагнитные поля снижают до уровня, разрешаемого санитарно-гигиеническими нормами (для импульсных полей низкой частоты f=1...3O кГц, допустимая напряженность магнитного поля //доп= 100 А/м).
Загазованность помещений устраняют с помощью устройств приточно-вытяжной вентиляции.
Вследствие повышенной опасности процессов, сопровождающих электровзрывную обработку, к обучению обслуживающего персо-116
нала предъявляются высокие требования. К работе на установках допускаются лица, имеющие квалификацию не ниже IV группы электробезопасности.
§ 3.5. Организация типовых участков
В зависимости от конструкции электрогидравлических установок существует несколько способов организации участков в цехе. Если автономная установка включается в состав поточной линии, то
ее работу согласуют с действиями остальных устройств с помощью общецеховых подъемно-транспортных средств. Крупногабаритные установки, например для запрессовки труб в трубных решетках, необходимо размещать в отдельном помещении с соответствующими средствами защиты от шума. При организации отдельного участка электрогидравлических установок (возможно совместно с магнитоимпульсными)
/ 2
площадь участка определяют в
зависимости от энергии, накап- Рис- VII.18
ливаемой конденсаторной ба-
тареей. Так, при энергии 10 кДж необходима площадь в 10 ... 12 м2, а при энергии 160 кДж площадь участка должна составлять 145 ... 220 м2. Ширина проходов между отдельными установками должна быть не менее 1,5 м, а ширина проездов не менее 2,5 ... 3 м. Установки размещают согласно требованиям, предъявляемым к кузнечно-прессовому оборудованию и устройствам высокого напря
жения.
При организации отдельных участков стены и двери должны быть выполнены с необходимой звукоизоляцией. Чтобы напряженность магнитного поля уменьшить до безопасного значения (//ДОп<= = 100 А/м), операторскую, где установлен пульт управления, необходимо экранировать стальными листами толщиной 1...2 мм.
На рис. VI 1.18 показана схема участка для электрогидравлической запрессовки труб в трубных решетках. Участок занимает два помещения. В одном из них установлены заготовка 1 теплообменного аппарата, в трубной решетке которого необходимо запрессовать трубы, механизм 2 перемещения патрона и автономный генератор 3, Генератор можно устанавливать и в отдельном помещении. Второе помещение — это операторская, которую экранируют стальными листами и оборудуют звукоизоляцией. В ней расположены пульт управления 5, телевизионная аппаратура 6 и устройства управления установкой 4.
Пол операторской должен быть деревянным и поддерживаться постоянно сухим. Первое помещение, где производят операцию, соответствует обычным требованиям к заводским помещениям. Оба помещения участка должны быть оснащены приточно-вытяжной вентиляцией.
При организации участка большое внимание должно быть обращено на заземление электрогидравлических установок. Управляющую аппаратуру низкого напряжения подключают к общецеховому заземлению. Для генератора применяют собственный контур, электрически связанный с общецеховым заземлением. При этом сопротивление контура заземления в любое время года не должно превышать 0,5 Ом. Заготовку необходимо изолировать от транспортного средства (т. е. от цеховой линии), причем сопротивление изоляции должно быть не менее 10 МОм. Необходима также блокировка дверей между помещениями участка. Во время обработки эти двери должны быть закрыты.
Электрогидравлические установки на цеховом участке располагают так, чтобы направления загрузки заготовок и выгрузки изделий были на всех установках одинаковыми и совпадали с общецеховым направлением грузопотока. Тупиковые установки следует располагать либо в конце, либо в начале линии, а конвейерные и проходные установки — в любом месте линии.
Если установка располагается на фундаменте, то его изготовляют по известным правилам, предусматривая надежное заземление всех частей установки.
ГЛАВА 4. РАСЧЕТЫ РЕЖИМОВ ЭЛЕКТРОВЗРЫВНОЙ ОБРАБОТКИ ДЛЯ ТИПОВЫХ ПРОЦЕССОВ
§ 4.1. Технологичность детали
При разработке технологического процесса прежде всего еле- . дует определить технологичность детали и возможность электро-гидравлического формообразования на имеющемся оборудовании. Некоторые свойства детали не позволяют применить для ее изготовления электровзрывное формообразование. Это, во-первых, наличие прорезей, щелей, отверстий, которые не позволяют изолировать рабочую камеру от пространства между заготовкой и матрицей; во-вторых, большая толщина заготовки, препятствующая ее деформации ударным воздействием, и, в-третьих, необходимость большой деформации, недостижимой на электровзрывном оборудовании.
С помощью соотношения (VII.11) решается вопрос, пригодно ли имеющееся оборудование для электрогидравлического формообразования. Если постоянная Кр достаточно велика, то возможно преобразование электрической энергии в энергию ударной волны. Упомянутым соотношением задаются минимальные требования и к вновь разрабатываемому оборудованию. Согласно выражениям (VII.7) и (VII.11), в воде, где скорость звука узв=1500 м/с, ударная волна возникает, если
^/(W„)1/4>2,2-104,
где Uc — выражено в вольтах (В); L3KB— в генри (Гн); /п — в метрах (м). Если ударная волна в данных условиях возникает, тосле-
дует проверить, возможно ли формообразование данной детали на имеющемся оборудовании. По размерам заготовки определяют, находится ли ее поверхность в пределах расстояния, которое фронт ударной волны проходит за четверть периода разрядного тока. Для этого следует воспользоваться соотношениями (VII.4) и (VII.10). Затем по выражению (VII.13) определяют давление на фронте волны.
Деформация тонкостенных заготовок оказывается возможной, если выполняется неравенство /п>От (см. § 1.1). Возможность деформации толстых заготовок устанавливают по теоретическим или экспериментальным зависимостям для выбранной схемы обработки. Оптимальные режимы обычно рассчитывают по соответствующим экспериментальным данным.
§ 4.2. Штамповка фасонных деталей
На рис. VII. 19 представлены графики экспериментальных зависимостей для определения оптимальной длины разрядного промежутка /п от напряжения на электродах Uc. Кривая 1 соответствует
£/7, мм
20 30 40 50 U, кВ
Рис. VII.19
С-1,5 мкФ
Рис. VI 1.20
камере малой вместимости, кривые 2 и 3 — большей вместимости. При обработке в воде оптимальную длину межэлектродного промежутка можно определить по соотношению:
Zn=l,14.10-Vc-^Z^C,
где Uс — заданное напряжение на конденсаторах, В. Здесь L экв выражается в генри (Гн); С — в фарадах (Ф).
На рис. VII.20 приведены опытные кривые для определения расхода Q рабочей жидкости на один разряд в зависимости от длины разрядного промежутка /п.
Для электрогидравлического формообразования с взрывающимся проводником оптимальные длину /Пр и диаметр dnp проволоки также определяют по эмпирическим формулам в зависимости от показателей установки:
1пр=2.10-^ис^-Ц^-,
«rnp=2,1 • Ю-з ^/ucVC4(2 1/Д7вупррпр?пр),
где упр — удельная проводимость материала проволоки, См; рПр — плотность проволоки, кг/м; q^p — теплота, необходимая для нагрева и испарения единицы массы проводникового материала, Дж.
При штамповке сложнофасонных изделий, например сильфонов, цилиндрическую заготовку устанавливают в специальной разъемной матрице, имеющей профиль готового изделия. Длина проволоки, установленной по оси заготовки, /Пр~Ю0 мм. Толщина стенок заготовок из меди составляет 0,18 мм, из латуни — 0,5 мм, из стали— 0,3 мм, из алюминия — 0,15 мм. При этом диаметр заготовок d3^54 мм, а длина /3^150 мм.
§ 4.3. Запрессовка трубы в трубной решетке
Расчет режима сводится к определению оптимального напряжения конденсатора, так как параметры разрядной цепи, т. е. индуктивности £Экв и емкости С, обычно уже заданы. Напряжение Uc рассчитывают в зависимости от требуемого натяга в сопряжении трубы с трубной решеткой. Это напряжение должно быть тем больше, чем больше длина запрессовываемого участка, толщина трубы, пластическая деформация и удельное сопротивление деформированию. Если используют патроны со взрывающейся проволокой, то при расчете напряжения следует учесть отклонения диаметра проволоки от оптимального значения.
Часть VIII
МАГНИТОИМПУЛЬСНОЕ ФОРМООБРАЗОВАНИЕ
! ВВЕДЕНИЕ
Магнитоимпульсное формообразование относится к методам обработки давлением. По технологическим параметрам этот вид обработки близок к электровзрывному формообразованию. Сила, вызывающая деформацию, создается за счет электромагнитных эффектов непосредственно в самой заготовке, выполненной из электропроводного материала. В данном случае никаких промежуточных рабочих сред для передачи механических воздействий на заготовку не требуется.
Схема метода показана на рис. VIII. 1. От выпрямителя 1 заряжается батарея конденсаторов 2, в электрическом поле которых к началу обработки накапливается энергия Ec=CUc2/2. Емкость батареи С достигает 100 мкФ, напряжения Uc — десятков киловольт. С помощью переключающих устройств 3 заряженная батарея конденсаторов подсоединяется к обмотке 4 возбудителя, предназначенного для создания магнитного поля определенной пространственной конфигурации.
Конденсаторы в течение очень короткого времени разряжаются на обмотку возбудителя, максимальная сила разрядного тока I достигает сотен и тысяч килоампер. В окрестности возбудителя, где установлена заготовка 5,. создается быстроизменяющееся магнитное поле и приводит к возникновению электромагнитной силы F9. Эта сила вызывает деформацию листовой заготовки, которая принимает форму матрицы 6. Таким образом, в данном процессе энергия электрического поля конденсаторов преобразуется в энергию магнитного поля возбудителя, а затем в работу деформации заготовки и частично в теплоту.
Поскольку собственно формообразование протекает очень быстро, то время операции определяется в основном длительностью зарядки конденсаторов и вспомогательным временем на замену заготовок.
Установка для магнитоимпульсной обработки во время деформации заготовки не взаимодействует с внешней средой — столь кратковременным процессом (менее 100 мкс) извне управлять невозможно. Магнитоимпульсным формообразованием получают детали из тонких (до 3 мм) листовых заготовок из стали, латуни, алюминия, меди и даже из сплавов с малой пластичностью. ,
Первую установку для получения кратковременных сильных магнитных полей создал акад. П. Л. Капица в 20-х годах. На этой установке удалось достичь напряженности магнитного поля Н~ ~107 А/м. В конце 50-х и начале 60-х годов были построены исследовательские установки, создающие чрезвычайно сильные магнитные поля с напряженностью 77= 109 А/м. Одновременно в СССР и США разрабатывался ряд устройств промышленного назначения, в которых сильные магнитные поля использовались для технологических целей.
Магнитоимпульсному и электровзрывному формообразованиям присущ ряд общих достоинств: простота оборудования; отсутствие инструмента; возможность получать детали сложной конфигурации; отсутствие движущихся узлов; простота автоматизации процесса. У магнитоимпульсного формообразования наряду с этим есть и другие достоинства: обработку можно вести без жидкой рабочей среды, передающей механическое воздействие на заготовку; не надо герметизировать
рабочее пространство; формообразование можно проводить через непроводящую оболочку, защищающую, например, стерильную или инертную среду, в которой помещена заготовка.
Тем не менее требуется тщательное обоснование применения —>
данного метода, поскольку силы F3f вызывающие деформацию, существенно зависят от физико-химических и геометрических свойств „ заготовки.
ГЛАВА 1. ФИЗИКА ПРОЦЕССА
§ 1.1. Разновидности магнитоимпульсного формообразования
Магнитоимпульсное формообразование осуществляется двумя способами: 1) индукционным при взаимодействии импульсного магнитного поля, которое создается возбудителем, с токами, наведенными в заготовке самим же полем; при этом заготовку не включают в электрическую цепь; 2) электродинамическим при взаимодействии токов в возбудителе и заготовке, включенной в цепь разряда конденсатора. Для индукционного и электродинамического способов формообразования применяют различные по устройству возбудители.
Электродинамический способ основан на электромеханическом взаимодействии проводников, в которых протекают токи. Как известно из электротехники, параллельные провода с одинаково направленными токами /1 и /2 притягиваются, а с противоположно направленными — отталкиваются. Сила FQ притяжения (или оттал
кивания) прямо пропорциональна произведению сил токов Л, /2» длине проводов I и обратно пропорциональна расстоянию между проводами а (рис. VIII.2):
F3=KFWla, (VIII. 1)
где Kf — коэффициент пропорциональности.
На рис. VIII.3 показаны цилиндрическая заготовка 1 и возбудитель 2. Их соединяют последовательно с помощью электропровод
ной кольцевой перемычки 3 и подключают к конденсаторной батарее. Током I разряда в возбудителе 2 создается магнитное поле с >
индукцией В, которое, взаимодействуя с током I той же силы в заготовке 1, создает в ней сжимающие электромагнитные силы F& Заготовка 1 опрессовывает матрицу 4.
Поскольку токи в заготовке и возбудителе соответствующим образом распределены по их объемам, то общие соотношения для расчета электромагнитных сил F3 оказываются довольно сложными. Эти силы растут с увеличением силы токов и уменьшением расстояния между возбудителем и заготовкой.
Недостаток электродинамического способа — необходимость включения в разрядную цепь деформируемой заготовки, что не всегда возможно.
Индукционный способ более распространен. Заготовку не включают ни в какие электрические цепи. Например, на рис. VIII.4 внутри возбудителя 2 установлена трубчатая заготовка 3, которая •—>-
под действием электромагнитных сил F3 опрессовывает некоторое изделие 4, Из физики известно, что плотность энергии магнитного поля равна где В — магнитная индукция; Н—напряжен-
ность магнитного поля. Для воздуха (среды, где обычно проходит процесс) В = juto/f, где |1о=4л-10-7 (Гн/м) •—магнитная постоянная.
В начале разряда конденсатора 1 (в течение десятков микросекунд) вблизи обмотки 2 на внешней стороне заготовки 3 (рис. VIII.4) напряженность магнитного поля Н\ велика, а на внутренней стороне напряженность Н2 мала.
В единичном объеме пространства внешней части заготовки —> —>
плотность магнитной энергии равна 0,5Bi-Н1 = О,5ц.оН12; то же во внутренней части равно О.бВг-^г—О,бцо#22, где В\ и В2— значения магнитной индукции соответственно на внешней и внутренней сторонах заготовки.
Рис. VIII.4
Рис. VIII.5
Размерность плотности энергии (L-1MT-2) такая же, как у дав- . ления. Поэтому плотностям энергии по обе стороны заготовки соответствуют различные магнитные давления pMi и рМ2-
Плотность /э электромагнитных сил на участке заготовки 1 (рис. VIII.5) называется разностью магнитных давлений —Рм2 с внешней и внутренней сторон. Эти магнитные давления перпендикулярны вектору В и численно равны местным плотностям магнитной энергии:
pul=0,5^Hl, Jt>M2=0,5ix(//22. (VIII.2)
Поверхностная плотность электромагнитных сил
-^2=0,5^ (//1-Н1). (VIII.3)
Вектор /э (рис. VIIL5) направлен в ту сторону, где магнитное поле слабее, в данном случае с внешней стороны заготовки во внутреннюю. Чтобы произошло магнитоимпульсное формообразование^ необходимо, чтобы напряженности магнитного поля по обеим сторонам листовой заготовки существенно отличались друг от друга/ Напряженность Н2 магнитного поля внутри заготовки ослабляется за счет тока /н, наведенного изменяющимся магнитным полем тока
2 5 4 5
Рис. VIII.6
поля и накоп-корот-может материала заготовки.
I в электропроводной заготовке 1. По правилу Ленца наведенный ток имеет такое направление, что его магнитное поле встречно тому, которое создается возбудителем 2 внутри контура, где возникает наведенный ток.
Заготовка, а точнее цепь наведенного тока, обладает определенной инерционностью, характеризуемой в простейшем случае постоянной времени тн. Чем больше тн в сравнении с длительностью протекания разрядного тока, тем сильнее выражена электромагнитная инерционность электропроводной заготовки и тем слабее в на-чале разряда магнитное поле, характеризующееся величинами Bz и Н2, на ее внутренней стороне. Чтобы выполнить указанное условие, время разряда конденсаторной батареи, т. е. время нарастания магнитного поля, должно быть как можно меньше. —
Иногда электромагнитные силы создают быстропадающим магнитным полем, получаемым разрывом цепи, например, с помощью плавкого предохранителя.
В обеих разновидностях магнитоимпульсного формообразования заготовка нагревается наведенным током. Потери на нагревание зависят, в частности, от скорости изменения магнитного могут составлять до 20% энергии, ленной конденсатором. За очень кое время температура заготовки особенно при малой теплоемкости
Так как магнитное давление действует перпендикулярно вектору магнитной индукции, то последний должен быть направлен параллельно исходной поверхности заготовки. Для этого подбирают соответствующую конфигурацию возбудителя. Например, если заготовка трубчатая, то индукция магнитного поля должна быть направлена вдоль боковой поверхности заготовки. Для обработки листовой заготовки необходимо создать магнитное поле, параллельное плоскости заготовки.
Чтобы увеличить местную деформацию заготовки, магнитное* поле в определенной Области сосредоточивают насадками из электропроводных материалов. Как известно из электротехники, благодаря поверхностному эффекту быстроизменяющийся магнитный поток не проникает в глубь проводника. Поэтому линии магнитного* поля как бы обтекают поверхность насадки, принимая в окрестности заготовки необходимую конфигурацию. На рис. VIII.6 показано, как с помощью насадки /, установленной вблизи обмотки возбудителя 2, усиливают магнитное поле в средней части 3 трубчатой заготовки 4, которая в результате операции обжимает изделие 5„
Используют и другие разновидности магнитоимпульсного формообразования, отличающиеся способом передачи механических сил* к заготовке. Например, при обработке заготовок из материалов с
существенно повыситься
низкой удельной проводимостью между заготовкой и возбудителем устанавливают тонкие электропроводные прокладки (спутники). .Эти прокладки, например алюминиевые, деформируясь, передают усилия на заготовку. Для передачи механических усилий на заготовку служит также жидкость, которая сжимается деформируемой прокладкой из электропроводного материала. Таким способом можно обрабатывать трубы из нержавеющей стали, обладающей низкой электрической проводимостью.
В любой разновидности магнитоимпульсного формообразования во время разряда на возбудитель, согласно третьему закону Ньютона, действуют механические силы, по значению равные усилию, приложенному к заготовке. Кроме того, возникают усилия вследствие взаимодействия токов в самом возбудителе. Поэтому конструкция возбудителя должна быть о^ень жесткой и прочной, что является одной из важных задач при проектировании оборудования.
§ 1.2. Процессы в разрядной цепи
Как и при электровзрывной обработке, разрядной цепи соответствует схема замещения (см. рис. VII.2), обладающая емкостью С, индуктивностью Лэкв и сопротивлением £ЭкВ-
Значение эквивалентной индуктивности разрядной цепи £Экв определяется магнитным потоком рассеяния, который не используется для формообразования. Эта индуктивность зависит от конфигурации возбудителя, длины соединительных проводов, а также от электромагнитных свойств заготовки, служащих сердечником для возбудителя. При деформации заготорки эквивалентная индуктивность Лэкв несколько изменяется, однако этим изменением можно пренебречь благодаря малому значению эквивалентной индуктивности (ЛЭкв~1 мкГн).
Эквивалентное сопротивление /?Экв отражает все необратимые потери энергии в разрядной цепи: электрический нагрев элементов, работу деформации и т. д. Точно рассчитать эквивалентное сопротивление обычно не удается, поэтому используют его приближенные средние значения.
Как и при электровзрывной обработке (см. ч. VII, § 1.1), параметры разрядной цепи С, £Экв, ^?экв выбирают такими, чтобы ток I был периодическим затухающим, а скорость его изменения в на-чале разряда конденсаторов —наибольшей. При /?экв= КДжв/С период собственных колебаний разрядного тока определяется выражением (VIL4), а максимальный ток /max в конце первой четверти периода (т=0,25Т) задается соотношением (VIL3).
Если заготовка выполнена из ферромагнетика, то индуктивность Аэкв увеличивается, а частота соответственно уменьшается. Обычно частота собственных колебаний разрядной цепи f0= 10 кГц (Г = ==100 мкс).
Согласно выражению (VIII.3), для увеличения электромагнит-—>•
ной силы Fq необходимо повысить напряженность магнитного поля 126
Нх на внешней стороне заготовки и уменьшить напряженность Н2 на внутренней (см. рис. VIII.5). Это происходит при большой силе тока разряда и высокой скорости его изменения. Особенно велики электромагнитные силы в первой четверти периода разряда. Поэтому в дальнейшем преимущественно рассматривается деформация заготовки в течение времени т^0,25Т. Физика процесса магнитоимпульсного формообразования далее изучается в основном на примере обжатия цилиндрической заготовки 4 индукционным способом (рис. VIII.6).
Если считать, что сила тока / в начале разряда увеличивается по линейному закону, то согласно выражениям (VII.3) и (VII.4} скорость нарастания тока в первой четверти периода
d//dr=/max/0,257=0,3t/c/Z9KB,
откуда
/=(0,3t7c/^B)r. (VJIJ.4)
Как известно из электротехники, согласно закону полного тока, для контура Li (см. рис. VIII.5) напряженность магнитного поля на внешней стороне заготовки
Hx=Kh'NI> (VIII.5>
где К — постоянная; N — число витков обмотки возбудителя; I — сила тока. В соответствии с выражением (VIIL4) в начале разряда напряженность поля Н\ растет по линейному закону.
Напряженность магнитного поля Hz (см. рис. VIII.5) внутри заготовки изменяется значительно слабее. Согласно закону полного тока, для контура Л2 напряженность поля Hz определяется как силой разрядного тока I в обмотке возбудителя, так и силой наведенного тока /н в заготовке. По правилу Ленца наведенный ток препятствует изменению поля внутри заготовки, поэтому
H2=KHlNI (VIII.6)
где Кн2 — постоянная. В кольцевой цепи трубчатой заготовки, обладающей активным сопротивлением /?н и индуктивностью LH, нарастание наведенного тока определяется постоянной времени
тн=Лн//?н. (VIII.7)
При линейном росте силы разрядного тока наведенные в заготовке ЭДС и ток стремятся к постоянной величине. Согласно выражению (VIII.6), в начале разряда на внутренней стороне заготовки постепенно увеличивается напряженность магнитного поля Hz (создается «магнитная подушка»), электромагнитная сила 7Э падает. Это происходит тем позже, чем больше постоянная времени Гц.
§ 1.3. Электромагнитные процессы в заготовке
Для цилиндрической заготовки (рис. VIIL7) длина кольцевой цепи наведенного тока равна 2яг3, где Гз — радиус заготовки. Площадь токопроводящей части равна /3б3, где /3 — высота заготовки; Л, — толщина поверхностного слоя, по которому течет наведенный ток. Таким образом, активное сопротивление кольцевой цепи наведенного > тока н
/?н=2лг3/(уД/3), (VIII.8)
где у3 — удельная проводимость материала заготовки.
Из курса физики известно, что толщина слоя дз, определяемая поверх-ностным эффектом, зависит от удельной проводимости у3 и магнитной про-!>з ницаемости ц3 заготовки, а также час-тоты f разрядного тока. Переменный ток протекает не по всему сечению проводника (заготовки), а лишь в тон-
Рис. VIII.7 ком слое вблизи поверхности:
83=1/Гл2у3|х3/. (VIII.9)
Поверхностный эффект особенно сказывается при высокой частоте разряда и при обработке заготовок из электропроводных или -ферромагнитных материалов. Чем меньше толщина б3 поверхностного слоя, тем больше сопротивление /?н и соответственно меньше, постоянная времени тн.
Индуктивность LH цепи наведенного тока можно подсчитать по соотношениям, полученным для соленоида:
£н=ЛГдгХ (VIII. 10)
где г3 и /3 — соответственно радиус и высота заготовки (рис. VIII.7); Kl — постоянная, зависящая от отношения /3/г3.
Если в формулу (VIII.7) для постоянной времени подставить величины по формулам (VIII.8) и (VIII.10), то с учетом поверхностного эффекта по выражению (VIII.9) получим
(VIII. 11)
Благодаря поверхностному эффекту постоянная времени цепи наведенного тока падает с ростом магнитной проницаемости и частоты разряда, а также с уменьшением радиуса заготовки и удельной проводимости ее материала.
Показатели магнитоимпульсного формообразования прежде всего определяются соотношением между постоянной времени тн и периодом разрядного тока Т. Если постоянная времени мала (тн< <0,25Т), то в течение первой четверти периода возникает большой 128
наведенный ток. В соответствии с выражением (VIII.6) напряженность Н2 магнитного поля внутри заготовки повышается — создается «магнитная подушка» — и, согласно выражению (VIII.3), плотность /э электромагнитных сил невелика. Это особенно проявляется при обработке заготовки малого радиуса или с малым отношением /з/г3, либо если заготовка изготовлена из материалов с низкой удельной проводимостью или высокой магнитной проницаемостью [см. формулу (VIII.11)]. Поэтому для каждой магнитоимпульсной установки задается минимальный радиус заготовки г3тш, для которого возможна обработка. Этот минимальный радиус тем больше, чем больше магнитная проницаемость и чем меньше удельная проводимость вещества заготовки. При обработке, например, стальных заготовок их радиус r3min^l см. Чтобы получить возможность обрабатывать заготовки малых размеров, надо всемерно повышать постоянную времени тн наведенной цели. Одним из необходимых условий магнитоимпульсного формообразования считают неравенство
тн > 0,257=0,25//. (VIII. 12)
Если это условие выполнимо, то рост силы наведенного тока /н не успевает за изменением разрядного тока I. Напряженность магнитного поля на внутренней стороне заготовки Н2^0 и «магнитная подушка» отсутствует.
Однако выполнение условия (VIII.12) не всегда гарантирует осуществление процесса формообразования. Так, если тн несколько превышает четверть периода, то необходимо оценить текущие значения напряженности Н2 на внутренней поверхности заготовки.
Обычно полагают, что за время разряда изменение размеров заготовки невелико. Первичный магнитный поток Ф(т) внутри заготовки пропорционален силе разрядного тока I. Общий магнитный поток Ф2(т) внутри заготовки
Ф2(т)=Ф(т)-Фн(т),
где Фн(т)—магнитный поток, созданный наведенным током /н: Фн(т)=£н/н. Силу наведенного тока /н определяют по закону электромагнитной индукции и закону Ома:
_ d$2<T> =е =R [
at
где ен— ЭДС в цепи наведенного тока. Из этих соотношений получают дифференциальное уравнение, решая которое для линейно растущей силы разрядного тока, задаваемого выражением (VIIL4), находят силу наведенного тока и магнитный поток Ф2(т) внутри заготовки. В начале разряда ф2(0)=0. Затем компенсирующее действие наведенного тока ослабевает, и магнитный поток внутри заготовки увеличивается. При т->оо этот поток, как и разрядный ток, растет линейно со временем.
Потоком Ф2(т) внутри заготовки задается искомая напряженность поля внутри заготовки
Я2=Ф2(г)/(!ЛоЛГз). (VIII. 13)
Поверхностную плотность /э электромагнитных сил определяют по соотношению (VIII.3).
§ 1.4. Электромагнитные силы
Если постоянная времени тн цепи наведенного тока невелика, то напряженности магнитного поля по обе стороны заготовки быстро выравниваются и плотность /э поверхностных сил после кратковременного переходного процесса падает. Магнитоимпульсное формообразование в таком случае неэффективно. Подобная ситуация возникает при обработке небольших заготовок с низкой проводимостью и высокой магнитной проницаемостью [см. выражение (VIII.11)].
Из выражения (VIII.11) следует также, что постоянная времени Тн, а следовательно, и электромагнитная сила растут с увеличением радиуса заготовки. Поэтому показатели обработки наилучшие, когда радиус заготовки приближается к радиусу обмотки возбудителя, т. е. когда зазор между заготовкой и обмоткой минимальный. При этом индуктивность разрядной цепи наименьшая.
Если выполняется неравенство (VIII.12), можно считать, что #2 — 0, и тогда с учетом выражений (VIII.3) и (VIII.5) плотность электромагнитных сил
/9=О,5|хо(/<Я1ЛА)2/2. (VIII. 14)
Согласно соотношениям (VIII.4) и (VIIL14), плотность сил растет с увеличением начального напряжения Uc конденсаторов, числа витков N обмотки возбудителя, уменьшением ее высоты и индуктивности. В начале разряда плотность электромагнитных сил равна нулю (рис. VIII.8). В течение первой четверти периода (т< <0,25Т) плотность сил /э~т2. Учитывая формулу (VIII.4), наибольшая плотность электромагнитных сил
/этаХ=0,12^0 (/<яЛ)2 U2cC/L3Kb. (VIII. 15)
Для увеличения электромагнитных сил необходима, например, обмотка возбудителя с большим числом витков V, но малой индуктивностью, а начальное напряжение Uc и емкость разрядной цепи С должны быть высокими. Величина /эшах определяется плотностью энергии в установке, т. е. отношением энергии, накопленной в конденсаторах, к объему рабочего пространства внутри возбудителя.
В течение первого полупериода (рис. VIII.8) выделяется значительная часть энергии, накопленной конденсаторной батареей. Во втором полупериоде меняются направления магнитных полей по обе стороны заготовки, но направление электромагнитной силы сохраняется.
Хотя вышеизложенный анализ был проведен для цилиндрической заготовки, основные выводы применимы и для заготовок других конфигураций.
Для расчета характера действия сил необходимо выяснить, как распределена плотность электромагнитных сил по толщине заготовки (рис. VIII.9). При изменении магнитной индукции в поверхностном слое заготовки возникает ЭДС, вызывающая наведенный ток
плотностью JH, направленный так, чтобы задержать изменение магнитной индукции в заготовке. Объемная плотность электромагнитных сил
fsV — Jh X В.
Индукция В\ магнитного поля снаружи заготовки в поверхностном слое становится равной Bi3 и изменяется до значения В2з на внутренней поверхности. За пределами заготовки индукция магнитного поля равна В2.
Плотность поверхностных сил f3 можно найти, проинтегрировав величину /эу по толщине заготовки. На внешней границе заготовки (на рисунке справа) плотность поверхностных сил, согласно выражению (VIII.3),
/а1=0,5^ -0,5//1з513=0,5/7? (Ио- а3),
где 7/13 и В1з — соответственно напряженность поля и магнитная индукция на внешней поверхности заготовки (7/13=7/1; В13=цз/713).
Если заготовка сделана из немагнитного материала (р,3=р,о), то на внешней границе заготовки плотность сил f9i=0. Поэтому при обработке таких заготовок их поверхность не повреждается.
Вследствие поверхностного эффекта магнитная индукция и наведенные в заготовке токи распределены неравномерно и сосредоточены в основном в поверхностном слое. Поверхностная плотность сил /э нарастает, начиная с наружной поверхности, и достигает пре
дельного значения fd2 на внутренней поверхности заготовки (рис. VIII.9).
Глубина проникновения магнитного поля, т. е. толщина поверхностного слоя бз, не должна превышать толщины стенки заготовки Л3 (см. рис. VIII.7). В противном случае между заготовкой и металлической матрицей успевает возникнуть «магнитная подушка» (//2=#0), создающая обратное магнитное давление на заготовку и снижающее плотность электромагнитных сил f0. Наименьшая толщина стенки заготовки, при которой в данной установке в принципе возможно формообразование,
Лзт1п>^ (VIII. 16)
С точки зрения выбора частоты разрядного тока условия (VIII.12) и (VIII.16) противоречат друг другу. Толстая заготовка «непрозрачна» для быстроменяющег.ося магнитного поля. Однако толстые заготовки трудно поддаются обработке из-за высокой механической прочности.
§ 1.5. Деформация заготовки
Необратимая (пластическая) деформация тонкостенной заготовки возможна, если поверхностная плотность электромагнитных сил превышает некоторый уровень, зависящий от предела текучести материала заготовки, ее конфигурации. На деформацию сильно влияет нагрев заготовки во время разряда конденсатора. Нагрев заготовки растет с увеличением напряженности магнитного поля и периода разрядного тока, а также с уменьшением объема, удельной проводимости и теплоемкости заготовки. В некоторых случаях возможен разогрев заготовки до температуры 1000...3000 К. Подбирая условия обработки, можно в широких пределах изменять соотношение между механическим и тепловым воздействием на заготовку. Совмещение этих воздействий позволяет применить магнитоимпульсное формообразование для обработки заготовок из материалов, не проявляющих пластичности при нормальной температуре.
Из курса сопротивления материалов известно, что при обжатии трубчатой заготовки пластическая деформация наступает при условии Qi—02~сгт, где di и 02 — главные напряжения; от — предел текучести. При магнитоимпульсном формообразовании пластическое течение заготовки возможно, если в первом приближении
/э>*т. (VIII. 17)
Если это неравенство выполняется, то пластическое течение заготовки начинается почти сразу после начала разряда. Во время разряда деформация обычно проходит в две стадии: а) упругая, при которой запасается кинетическая энергия; б) пластическая, в которой эта энергия расходуется.
В условиях магнитоимпульсного формообразования наибольшая плотность поверхностных сил может достигать огромных значений, 132
намного превышающих предел текучести материалов. Деформация, например, алюминиевых заготовок происходит при /Л>2Х Х105 А/м, медных — при #i>3-105 А/м, стальных и вольфрамовых — при Н\ >6 • 105 А/м.
Начало деформации зависит и от толщины заготовки, с ростом которой следует увеличивать магнитное поле, создаваемое возбудителем. Например, согласно опытным данным, для алюминиевой заготовки (предел текучести от=40 МПа, удельная проводимость у3=5-107 См/м, толщина Л3=1 мм) при толщине поверхностного слоя S3=0,8 мм необходима минимальная напряженность магнитного ПОЛЯ Ят1п=1,6- Ю6 А/м.
Как следует из выражения (VIIL15), для формообразования прочных и толстых заготовок необходимо увеличить напряжение конденсаторной батареи Uc и снизить индуктивность Lэкв разрядной цепи. При обработке тонких алюминиевых заготовок напряжение Uс ~1 кВ, для прочих материалов оно должно быть значительно выше. Максимальное напряжение Uc на практике ограничено техническими возможностями оборудования. Поэтому из условия (VIII.17) следует, что для каждой установки существуют наибольшие толщина заготовки и прочность ее материала, при которых обработка становится невозможной.
Если поверхностная плотность электромагнитных сил большая, то при анализе деформации тонкой заготовки можно пренебречь напряжениями и считать, что энергия магнитного поля расходуется на преодоление инерции стенок, поскольку их ускорение очень велико. Такая простая модель процесса описывается вторым законом Ньютона для небольшого объема заготовки, т. е. выражением (VII.16). В случае цилиндрической заготовки радиуса г3
dv3 _ d2r3 du dr2
Если воспользоваться выражениями (VIII. 14) и (VIII.4) для плотности электромагнитных сил и разрядного тока, то можно решить последнее уравнение для первой четверти периода. При большой постоянной времени тн, т. е. при выполнении условия (VIII. 12), текущий радиус заготовки
r=r3-Krt\ (VIII. 18)
где г3 — начальный радиус заготовки; Кт — постоянная, зависящая от параметров установки и свойств заготовки. Если плотность электромагнитных сил велика (постоянная тн большая), а разница между радиусами заготовки г3 и детали гдмала, то формообразование завершается за первую четверть периода.
Быстро деформирующаяся заготовка накапливает большую кинетическую энергию и при ударе о матрицу или об опрессовываемое изделие напряжение в заготовке превышает 1000 МПа. Благодаря этому получается деталь необходимой конфигурации.
Если в течение первой четверти периода заготовка не коснулась матрицы, то формообразование продолжается и далее. По-
скольку за первую и за вторую четверти периода выделяется примерно одинаковая энергия разряда, деформация за половину периода почти вдвое больше, чем за четверть. Формообразование может происходить также во время второй, третьей и последующих полуволн разрядного тока. Это вызывается, во-первых, большой кинетической энергией заготовки и, во-вторых, действием электромагнитных сил, хотя и меньших по значению. Поэтому с течением времени деформация заготовки продолжает увеличиваться. Размер деформации определяется суммарным импульсом за все время разряда. Как правило, магнитоимпульсное формообразование сводится к небольшой осевой деформации труб или радиальной деформации пластин.
При правильно подобранных условиях продолжительность формообразования
Тф«гн, (VIII. 19)
т. е. требуемое изменение конфигурации заготовки должно произойти за 6ojjee короткий срок, чем время переходного процесса в цепи наведенного тока.
При ударном воздействии электромагнитных сил в листовой заготовке может возникать волна изгиба. В стальной заготовке эта волна распространяется со скоростью ^у.в~200 м/с. Если формообразование длится относительно долго, то процесс сопровождается волновой деформацией заготовки.
ГЛАВА 2. ОСНОВНЫЕ СВЕДЕНИЯ О ТЕХНОЛОГИЧЕСКОМ ПРОЦЕССЕ
§ 2.1. Схемы типичных операций магнитоимпульсного формообразования
На рис. VIII.10 показана схема индукционного обжатия трубы /, помещенной внутри обмотки возбудителя 2. Аналогично выполняют калибровку, штамповку, опрессовку, напрессовку и сращивание труб напрессовкой соединительного кольца. Цилиндрическая обмотка возбудителя помещается с внешней стороны заготовки (пунктирной линией показан профиль заготовки 1 до обжатия).
Схема электродинамического обжатия показана на рис. VIII.3. Направление электромагнитной силы Fd определяют по правилу левой руки.
Индукционную раздачу трубчатой заготовки (например, получение гофров) проводят по схеме, изображенной на рис. VIII. 1, а электродинамическую раздачу—по схеме на рис. VIII.II.
Ток /, протекающий по возбудителю 1 в виде стержня и по заготовке 2, создает вокруг возбудителя магнитное поле индукцией В. Это поле взаимодействует с током, протекающим по заготовке, и вызывает электромагнитные силы Fa, прижимающие стенку заготовки к матрице 4. Контур тока I создается благодаря применению изолирующей прокладки 3 между возбудителем и заготовкой. 134
\ Формообразование тел вращения производится радиально расходящимися силами, обмотку возбудителя располагают внутри заготовки.
\При индукционной вытяжке (рис. VIII.12) плоскую листовую заготовку 1 помещают между плоским витком возбудителя
Рис. VIII.10
Рис. V1II.11
Рис. VI 11.12
Рис. VIII.13
2 и матрицей 3. Матрицу используют одновременно в качестве насадки для сосредоточения магнитного поля. Воздух удаляется через отверстия 4.
Схема индукционной вырубки показана на рис. VIII.13: 1 — заготовка, 2 — возбудитель, 3 — матрица.
§ 2.2. Технологические показатели
На электропроводную заготовку воздействие силы со стороны магнитного поля осуществляется без промежуточной среды. Собственно формообразование длится около 100 мкс. Длительность
цикла формообразования, а следовательно производительность^ определяется временем, необходимым для зарядки конденсаторов (до десятков секунд) и временем установки заготовок и снятия деталей. /
Плотность электромагнитных сил на поверхности заготовки мала, поэтому после магнитоимпульсного формообразования отсутствуют нарушения поверхностного слоя детали, в частности не возникают трещины.
Если постоянная времени тн цепи наведенного тока мала, jo на показатели процесса влияют удельная проводимость, магнитная проницаемость, геометрические размеры и механические свойства заготовки.
КПД процесса низкий. От 5 до 50% энергии, потребляемой из сети, превращается в теплоту еще в зарядном устройстве. Большая часть энергии, запасенной конденсаторами, также идет на нагрев элементов разрядной цепи, переключающего устройства, насадки и самой заготовки. При очень коротком разряде тепловые потери снижаются. По оценкам КПД магнитоимпульсных установок колеблется от 10 до 40%. Наибольший КПД, например при обжатии, достигается при определенном отношении радиуса г3 к толщине h3 заготовки. Для алюминия оптимальное отношение Гз//г3>10, для меди г 5.
§ 2.3. Особенности магнитоимпульсного формообразования
Чтобы полностью использовать возможности данного процесса, необходимо, чтобы заготовки отвечали ряду требований, вытекающих из рассмотренных ранее основных закономерностей.
1. Наилучшим образом обрабатываются заготовки, материал которых обладает высокой удельной проводимостью (медь, алюминий, латунь). В данном случае развиваются большие электромагнитные силы, низкие тепловые потери и высокий КПД.
2. Обрабатываемость несколько ухудшается для заготовок из ферромагнитных материалов, но это почти незаметно при высокой напряженности магнитного поля (//>106А/м).
3. Для каждой производственной установки существует минимальный размер, например радиус заготовки, которую можно обрабатывать.
4. Формообразование, как правило, осуществимо для заготовок, толщина стенок которых не слишком мала (заготовка должна быть непрозрачной для магнитного поля) и не слишком велика (чтобы формообразование проходило при данном значении электромагнитных сил).
5. Наличие на поверхности заготовки канавок или выемок (рис. VIII. 14, а) искажает равномерное распределение наведенных токов и ухудшает технологические показатели процесса; заготовки с продольной прорезью (рис. VIII. 14, б) на магнитоимпульсных установках не обрабатываются, так как не существует замкнутой цепи наведенного тока.
Я/
а)
< 6. Благодаря отсутствию воздействия на поверхность можно об-
рабатывать изделия с защитно-декоративными покрытиями.
\ 7. Поскольку диэлектрики прозрачны для магнитного поля, возможна обработка заготовок, находящихся в герметичных стеклянных или пластмассовых камерах.
Магнитоимпульсным формообразованием выполняют ряд операций, которые невозможно осуществить другими способами: развальцовку металлических трубок внутри изолятора или запрессовку изолятора в трубку.
9. Благодаря высокой скорости деформации и одновременному тепловому воздействию на заготовку возможна обработка материалов, не проявляющих пластичности при обычной температуре.
Более точно технологичность дета
ли можно оценить по теоретическим и опытным соотношениям, приводимым в специальной литературе.
Например, для обжатия трубчатой заготовки (см. рис. VIII.10) необходимо выполнить ряд упомянутых ранее условий. Прежде всего постоянная времени тн цепи наведенного тока, определяемая только свойствами заготовки, согласно соотношению (VIII.12), должна быть значительно больше, чем четверть периода разрядного тока. Поэтому частота разрядного тока должна быть высокой.
Используя выражение (VIII.11), получаем
Рис. VIII.14
Частота разрядного тока f=\/Tt согласно формуле (VIII.4), задается емкостью конденсаторной батареи С и эквивалентной индуктивностью разрядной цепи £экв, откуда
1 ( 0,25 \2 р,3
2л \ Кьгз / 7з
(VIII. 20)
Далее, чтобы происходила деформация заготовки, согласно неравенству (VIII.17), необходима такая плотность f9 поверхностных электромагнитных сил, которая превышала бы предел текучести материала от. По выражению (VIII.14) в этом случае сила тока разряда
/ > KHN (VIII.21)
В конце первой четверти периода, т. е. при т= 0,257, сила разрядного тока максимальна и определяется уравнением (VIII.3). Для полного использования накопленной в конденсаторах энергии необходимо, чтобы сила тока /max значительно превышала силу тока / из выражения (VIII.21). Отсюда можно получить еще одно условие, которому должны удовлетворять параметры разрядной цепи и напряжение конденсаторной батареи:
0,5/7q С/Z-экв КV2<Jr/p.().
(VIII. 22)
Согласно этому условию, напряжение Uc и емкость батареи С должны быть большими, а эквивалентная индуктивность разрядной цепи L экв незначительной.
Наконец, толщина 63 поверхностного слоя, в котором возникает наведенный / ток, должна быть меньше толщины заготовки Л3. С учетом выражений (VII 1.9) / и (VIII.21) из указанного неравенства следует еще одно условие магнитоимпульс/ ного формообразования, /
уг^С<ЛзК0,5луз!л3. (VIII.^)
Согласно этому условию, произведение A3KBC должно быть невелико, особенно при обработке тонких заготовок. /
Одновременное выполнение неравенств (VIII.20), (VIII.21) и (VIII.23) обеспечивает принципиальную возможность магнитоимпульсного обжатия тонкой трубчатой заготовки.
Как показывает опыт, данный процесс особенно эффективен для получения тонкостенных трубчатых деталей фасонного профиля из мягких электропроводных материалов. Магнитоимпульсное формообразование применяют для обработки заготовок из цветных металлов, из углеродистых и нержавеющих сталей.
§ 2.4. Проектирование технологического процесса
1. Выбирают схему магнитоимпульсного формообразования.
2. Проводят оценку технологичности детали и вносят необходимые изменения в чертежи заготовки.
3. Сравнивают технологические показатели магнитоимпульсного формообразования и традиционных методов механической обработки, проводят обоснование целесообразности применения данной схемы.
4. Рассчитывают оптимальные значения величин, характеризующих выбранный процесс, например частоту разрядного тока, наибольшее значение напряженности магнитного поля на внешней стороне заготовки и т. д.
5. Разрабатывают операционные и контрольные карты.
6. Выдают техническое задание на проектирование' оборудова- -ния.
§ 2.5. Методика разработки технологического процесса изготовления типовых деталей
Наиболее распространенными операциями, можно считать обжим тросов и получение гофров (например, изготовление сильфонов). Применительно к этим операциям ниже изложена методика разработки технологического процесса, основанная на использовании ряда экспериментальных зависимостей.
1. В начале подготовительного этапа уточняют требования к деталям и производят выборочный контроль заготовок.
2. С учетом особенностей заготовки выбирают способ формообразования (электродинамический или индукционный).
3. Обосновывают выбор возбудителя (постоянного или одноразового действия).
4. Исходя из геометрических свойств заготовки, устанавливают конфигурацию возбудителя; между возбудителем и заготовкой предусматривают по возможности наименьший .зазор ( — 0,5 мм).
5. Определяют оптимальное число витков возбудителя, делают расчет его обмотки на прочность, разрабатывают такую конструк-138
цию, при которой индуктивность наименьшая, а стойкость изоляции и механическая прочность наибольшие.
6. Соответственно физическим свойствам и размерам заготовки по теоретическим или экспериментальным соотношениям, справедливым для данной схемы обработки, рассчитывают параметры разрядной цепи и напряжение на конденсаторной батарее.
7. На основании сделанных расчетов выбирают оборудование: генератор, разрядник, кабели, конденсаторы, измерительные приборы, устройства управления, защиты и сигнализации.
8. Разрабатывают технические и организационные мероприятия по обеспечению безопасности оператора.
9. Разрабатывают способ определения показателей процесса и свойств детали.
10. Проверяют работоспособность выбранного оборудования, правильность закрепления заготовки, состояние токоподводов.
11. Устанавливают требуемый режим, производят пробную обработку заготовки и оценивают показатели процесса.
12. Подбирают условия обработки, обеспечивающие наилучшие показатели процесса.
13. Производят окончательный контроль получаемых деталей.
ГЛАВА 3. ОБОРУДОВАНИЕ
§ 3.1. Общие положения
При выборе или проектировании оборудования необходимо решить главные задачи: а) добиться наименьшей индуктивности разрядной цепи; б) учесть действующие на возбудитель значительные механические нагрузки; в) обеспечить надежную электроизоляцию.
В состав оборудования входят: генератор импульсного тока, возбудитель, матрица и ряд дополнительных элементов, обеспечивающих проведение технологического процесса. Установки могут выполняться как автономными, так и блочными. Блочные установки обладают определенными технико-экономическими преимуществами— можно изменять их параметры и назначение заменой отдельных блоков, но не установки в целом.
§ 3.2. Генераторы разрядного тока
Генераторы не имеют принципиальных отличий от генератора для электровзрывной обработки (см. ч. VII, § 3.1).
Показатели установки во многом определяются свойствами конденсаторов, у которых должна быть малой собственная индуктивность, большой срок службы и высокая объемная плотность накапливаемой энергии. Для магнитоимпульсных установок применяют высоковольтные импульсные конденсаторы. Чтобы уменьшить индуктивность разрядной цепи, особенно при работе с одновитко-
выми возбудителями, батарею собирают из параллельно включенных конденсаторов.
. В отличие от установок для электровзрывной обработки в установках магнитоимпульсного формообразования обычно применяют управляемые вакуумные или искровые разрядники. Для вакуумных разрядников характерны невысокие плотности тока и небольшие индуктивности. Разрядник состоит из нескольких последовательных электродов (дисков), разделенных вакуумными промежутками и диэлектрическими прокладками. При работе такого разрядника не возникают ударные волны, эрозия электродов невелика.
Наибольшее постоянное напряжение на пару дисков составляет около 10 кВ. Количество электродов-дисков в разряднике п= = Uc/10, где Uc — напряжение начала разряда, кВ. В межэлектродное пространство разрядника не должны попадать пары и частицы органических веществ. В противном случае нарушается изоляция разрядника и ухудшается его работа. Поэтому к межэлектродному пространству разрядника подключают непрерывно работающий форвакуумный насос. Собранный разрядник обычно прогревают импульсным током, чтобы улучшить процесс переключения.
После поступления сигнала на управляющий электрод разрядника межэлектродное пространство между дисками пробивается и напряжение с конденсаторной батареи подается на возбудитель. После этого начинается разряд конденсаторов и собственно формообразование.
Соединительные кабели выбирают по допустимому напряжению, которое должно быть больше Uc- Для уменьшения индуктивности разрядной цепи соединение выполняют несколькими параллельно включенными кабелями.
§ 3.3. Возбудители
Когда число витков N возбудителя мало, например при Af=l, его индуктивность меньше индуктивности прочих элементов разрядной цепи, в этом случае возбудитель подключают ко вторичной обмотке импульсного трансформатора, в которой меньше витков, чем в первичной. Благодаря этому индуктивность £Экв разрядной цепи уменьшается в п2 раз, где п — коэффициент трансформации. При использовании импульсного трансформатора увеличивается наибольшее значение силы разрядного тока Лпах, однако при этом падает частота колебаний.
При разработке возбудителей необходимо: 1) выбрать такую их конструкцию, чтобы получить магнитное поле требуемой конфигурации; 2) добиться наименьшей индуктивности возбудителя; 3) предусмотреть действие значительных электромагнитных сил на токоведущие части возбудителя; 4) предусмотреть надежную изоляцию; 5) учесть нагрев возбудителя при протекании разрядного тока.
Конфигурацию рабочей части возбудителя подбирают по виду операции магнитоимпульсного формообразования.
Для обработки тел вращения, например труб, создают магнитное поле, у которого векторы индукции В параллельны исходной поверхности заготовки. Для этого применяют цилиндрическую обмотку, имеющую несколько витков (см. рис. VIII.1 и VIII.4). Подобные обмотки применяют для операций обжатия или раздачи.
Для обработки листовых заготовок (штамповки, вырубки, чеканки) служат одновитковые возбудители с плоской рабочей поверхностью 1 (рис. VIII.15, а). Разрядный ток / поступает через токо-подводы 2 прямоугольного сечения. Такими возбудителями создают
Рис. VIII.15
поле с векторами магнитной индукции В, параллельными исходной плоской поверхности заготовки всюду, кроме центральной области, где электромагнитные силы и деформация заготовки незначительны. Чтобы устранить такую область магнитного поля, применяют более сложные по конфигурации возбудители (рис. VIII.15, б).
Для создания плоскопараллельного поля в большой области пространства, например при изготовлении гофров на листовых заготовках, служат возбудители, изготовленные в виде плоской спирали.
Индуктивность возбудителя снижают, используя специальную конфигурацию, уменьшая длину токоподводов, снижая зазор между поверхностями возбудителя и заготовки. Существует ряд теоретических способов расчета индуктивности рассеяния отдельных частей возбудителя, имеющих регулярную геометрическую форму (прямой, окружности ИТгД.).
Согласно выражениям (VIII.4) и (VIII. 14), для увеличения электромагнитной силы необходимо применять обмотки с большим числом витков. Однако при этом растет индуктивность возбудителя. Поэтому в каждом случае следует подбирать оптимальное число витков #опт обмотки, которое зависит от размеров возбудителя и заготовки, длины намотки, частоты, емкости зарядного конденсатора и др.
Например, обмотка для развальцовки латунных труб диаметром 19 мм и толщиной 1 мм в стальной пластине толщиной 20 мм содержит от 3 до 5 витков. В данном случае создаются магнитная индукция до 60 ... 80 Тл и давление до 100 МПа при максимальном разрядном токе до 300 кА.
Рис. VIII.16
Применяют возбудители: а) постоянные, рассчитанные на обработку многих заготовок, и б) разовые, предназначенные для изготовления только одной детали.
Постоянные возбудители применяют как для индукционного, так и электродинамического формообразования. Эти возбудители должны выдерживать большие ударные силы, значение которых пропорционально квадрату разрядного тока. На цилиндрическую обмотку возбудителя действуют продольные сжимающие электродинамические силы. Они особенно велики на торцах обмотки и равны нулю в середине. Зато там возникают радиальные растягивающие силы. По распределению этих сил разрабатывают конструкцию и рассчитывают прочность возбудителя. Постоянные возбудители иногда -изготовляют в виде массивных предварительно напряженных обмоток.
На рис. VIII.16 показана конструкция возбудителя для операции обжатия. Она состоит из изолирующих втулок /, цилиндрической обмотки 2, стального упрочняющего цилиндра 4 и металлических крышек 3, которые одновременно служат для подключения возбудителя к генератору импульсного тока. Отверстия 5 предназначены для стягивающих болтов. Через отверстие 6 в возбудитель помещают заготовку.
Чтобы повысить жесткость, обмотку изготовляют из стержней прямоугольного сечения или толстостенных бронзовых трубок и заливают, например, твердеющей смолой с изолирующими свойствами. В таком виде обмотку дополнительно стягивают стальными шпильками или дюралюминиевыми дисками. Постоянные возбудители применяют в серийном производстве однотипных деталей.
С постоянными возбудителями обычно используют упомянутые в гл. 1 насадки для перераспределения магнитного поля на поверхности заготовки. Так как насадка в процессе обработки нагревается, то КПД установки уменьшается. Насадки изготовляют из бериллиевой бронзы, обладающей сочетанием необходимых свойств: высокой удельной проводимостью, прочностью и теплостойкостью.
Конфигурацию электродинамического возбудителя необходимо задать соответственно форме исходной заготовки. Обычно возбудители— сплошные. Наибольшая трудность при их проектировании — обеспечение надежного электрического контакта с деформирующейся заготовкой. Такой подвижной контакт должен хорошо работать при очень высокой плотности разрядного тока. Согласно опытным данным, наилучшие результаты получены при использовании пружинящих контактов из бериллиевой бронзы. В ряде случаев электродинамическое магнитоимпульсное формообразование более выгодно, чем индукционное.
Постоянные возбудители дороги, и нередко применяют менее прочные возбудители разового действия. Такие об-142
мотки разрушаются во время формообразования. Разовыми возбудителями создают магнитные поля напряженностью Я=С107 А/м. При этом поверхностная плотность электромагнитных сил на заготовке /э< ЮО МПа.
Обмотку разового возбудителя изготовляют из медного провода круглого сечения с пластмассовой изоляцией. При обжатии провод наматывают непосредственно на заготовку, при раздаче — помещают внутрь заготовки. Возбудители разового действия целесообразно применять при единичном или мелкосерийном производстве.
Например, разовые возбудители, применяемые для обжатия латунной втулки, изготовляют из провода АПР-2,5; число витков N=7. Напряжение начала разряда Uс = 40 кВ, емкость конденсаторной батареи С= 18 мкФ, частота разрядного тока f = 34 кГц, наибольшая сила тока разряда /шах=100 кА, наибольшая индукция Втах = 40 Тл и напряженность магнитного поля //тах = 2-107 А/м, максимальная плотность электромагнитных сил /ъ = 100 МПа.
Чтобы повысить начальное напряжение Uc, витки возбудителя должны быть как следует изолированы. С этой целью провод оборачивают стеклотканью, пропитанной эпоксидными смолами. Если возбудитель изготовлен из толстостенной бронзовой трубки, то на ее поверхности предварительно нарезают неглубокую винтовую канавку. После изготовления обмотки витки изолируют слюдяными прокладками, пропитанными эпоксидно-фенольной смолой. Затем пространство между витками заполняют полимеризующимся клеем. В некоторых случаях обмотку погружают в сосуд с жидким диэлектриком (трансформаторное масло, дистиллированная вода и др.).
Матрицу изготовляют из диэлектрического или электропроводного материала. Если матрица электропроводная, то постоянная времени тн цепи наведенного тока мала. Чтобы осуществить формообразование, необходимо увеличить скорость нарастания тока в начале разряда. В случае диэлектрической матрицы «магнитная подушка» развивается медленней и частоту разрядного тока можно уменьшить. У матриц, применяемых при магнитоимпульсной штамповке, должен быть небольшой коэффициент трения с материалом заготовки. Для этого поверхность матрицы полируют и покрывают вазелином или смазками на кремнийорганической основе.
§ 3.4. Техника безопасности
Как упоминалось, электровзрывное и магнитоимпульсное оборудование обладают рядом одинаковых свойств.
Поэтому при работе с магнитоимпульсными установками следует соблюдать те же правила техники безопасности, которые изложены в ч. VII, § 3.4. В то же время работа на магнитоимпульсных установках имеет ряд особенностей.
Магнитное поле не сосредоточенное и может воздействовать как на оператора, стоящего рядом, так и на оборудование, которое расположено вблизи от установки. Так, измерения показали, что на расстоянии 0,5 м от магнитоимпульсной установки магнитная ин
дукция В = 0,005 Тл. При воздействии такого поля возникает искрение между движущимися металлическими частями и появляется возможность возникновения пожара. С помощью специальных кожухов, в которых размещают возбудители, магнитную индукцию в окрестности установок снижают до безопасного уровня (В = = 0,0001 Тл).
При работе магнитоимпульсного оборудования вследствие неправильной установки заготовки и возбудителя под действием электромагнитных сил заготовка может быть выброшена из рабочего пространства с большой скоростью. Кроме того, из-за попадания металлических включений или пробоя изоляции возбудителя возможен электрический разряд внутри рабочего пространства. Это приводит к разрыву и выбросу частей возбудителя. Оба эти явления представляют опасность для оператора, поэтому установки оборудуют ограждением, например, из плексигласа толщиной 5...7 мм.
Часть IX
КОМБИНИРОВАННЫЕ МЕТОДЫ ОБРАБОТКИ
ВВЕДЕНИЕ
Электрофизические и электрохимические методы изготовления деталей имеют ряд существенных преимуществ перед традиционными способами. К ним можно отнести высокую точность электро-эрозионной обработки и большую производительность электрохимической размерной обработки, хорошее качество поверхности, получаемой ультразвуковым методом. Однако технологи хотели бы, чтобы существовали методы обработки, сочетающие все вышеперечисленные достоинства. С этой целью стали оптимизировать процессы путем комбинации известных методов, усиливая их положительные черты. Большинство известных комбинированных методов обработки предложено, исследовано и применено в производстве советскими учеными и инженерами.
При совместном использовании анодного растворения металла с воздействием абразива удаление припуска происходит под действием механического шлифования и одновременного растворения материала электрическим током. Благодаря перемещению абразивных зерен относительно поверхности заготовки происходит интенсивное удаление продуктов анодного растворения из зоны обработки, что способствует стабилизации процесса и повышению его технологических показателей. Такой метод называют анодно-абразивной обработкой. Различают несколько разновидностей его использования: а) абразивонесущим токопроводящим инструментом, б) электронейтральным инструментом и свободным абразивом. В первом случае инструмент имеет форму кругов, брусков, применяемых при механическом шлифовании или повторяющих форму обрабатываемых участков детали. Однако во всех случаях связка должна быть электропроводной. Различают электроабразивное и электроалмазное шлифование, полирование, притирку. При шлифовании (рис. IX. 1, а) инструмент 2 выполнен в форме абразивного или алмазного круга на металлической связке. Абразивные зерна 1 могут быть равномерно распределены по всему объему инструмента 2 или располагаться только на его поверхности. Алмазные зерна обычно закрепляют в форме кольца на внешней окружности инструмента или вдавливают их в наружную поверхность оправки. Инструмент 2 и заготовку 3 подключают к полюсам источника питания. В процессе обработки инструмент вращают и подают на врезание со скоростью ии. Межэлектродный зазор s ограничен высту-6—1554 145
Рис. IX.1
панием зерен абразива /, поэтому нет необходимости применять сложные следящие системы для поддержания постоянных зазоров. Электролит подают поливом на поверхность, либо прокачивают через внутреннюю полость инструмента. В последнем случае он должен иметь поры для протекания жидкости. Благодаря вращению инструмента электрблит протекает через зазор со скоростью до 15...20 м/с. Следовательно, в пространстве между инструментом 2 и заготовкой 3 имеются все условия для интенсивного процесса ЭХО (малые зазоры, достаточная скорость протекания электролита, возможность . протекания тока). Выступающие зерна в зависимости от усилия прижима инструмента к заготовке удаляют как срезаемый материал заготовки, так и продукты анодного растворения.
Если используют диэлектрический абразивный круг /, то напряжение подают на специальный электрод-инструмент 3 (рис. IX. 1, б). Такую разновидность метода называют анодно-абразивной обработкой электронейтральным инструментом. Электронейтральный инструмент может применяться для шлифования, полирования, притирки, хонингования, суперфинишных операций. Здесь уже необходимы специальные устройства для поддержания зазора между электродом-инструментом 3 и заготовкой 2. С этой целью обычно используют диэлектрические упоры. При шлифовании абразивный -инструмент (круг) 1 имеет скорость до 25...30 м/с. Круг и электрод-инструмент 3 подают к заготовке со скоростью ии. Электролит поступает через зазор со скоростью v9. Процесс удаления металла протекает за счет абразивного съема и анодного растворения. При операции притирки вместо абразивного инструмента может применяться притир из пластмассы или дерева. Притир служит только для механического удаления пленки оксидов с обрабатываемой поверхности и способствует ускорению процесса анодного растворения заготовки.
При анодно-абразивной обработке несвязанным абразивом абразивные зерна не связаны с заготовкой или инструментом. Их называют свободными. Зерна могут и не иметь абразивных свойств, тогда их называют наполнителем. Абразивные зерна или наполнитель 2 (рис. IX.2, а) вместе с электролитом подают в зазор между токопроводящим инструментом 3 и заготовкой 1. Абразив перемещается инструментом со скоростью иа, удаляет часть припуска и вместе с электролитом выносит продукты анодного растворения из зазора. Требуемый зазор поддерживается абразивными зернами, находящимися между инструментом 3 и заготовкой 1. Если необходимо только удалить пленку, вызывающую пассивацию обрабатываемой поверхности, применяют наполнитель из фарфоро-146
вых, стеклянных или пластмассовых шариков, диаметр которых меньше заданного значения зазора между инструментом и заготовкой.
Если область обработки удалена от инструмента, то наполнитель 2 могут подавать струей электролита (рис. IX.2, б) или посредством центробежных сил, возникающих при вращении заготовки, например крыльчатки компрессора или колеса насоса.
Рис. IX.2
Рис. IX.3
Рис. IX.4
При подаче наполнителя струей (рис. IX.2, б) электролит прокачивают со скоростью va через сопло 1. В струю из дозатора 3 вводят наполнитель 2, который приобретает скорость vH и транспортируется струей к обрабатываемой поверхности заготовки 4. Для повышения электропроводности среды наполнитель может быть изготовлен из токопроводящих материалов: шариков из металла или графитовых композиций. Перед повторным использованием электролит отделяется от наполнителя, например, с помощью решетки.
К комбинированным методам относится электроэрозион-но-химическая обработка (рис. IX.3). Электрод-инструмент и заготовку подключают к двум источникам: генератору по-6* 147
стоянного напряжения, применяемому для размерной электрохимической обработки, и генератору импульсов. Иногда используют один источник питания, в котором формируется требуемая форма напряжения. В качестве рабочей среды применяют электролит.
С помощью этого метода получают отверстия, углубления, пазы. Скорость ии подачи электрода-инструмента в несколько раз выше, чем при электроэрозионном или электрохимическом прошивании. Электролит через промежуток прокачивают со скоростью v9.
Совмещают также электрохимическую и ультразвуковую обработку. На рис. IX.4 показана схема осуществления такого процесса. Съем металла с заготовки 4 происходит в среде электролита с абразивными зернами. Суспензия поступает из сопла 3 со скоростью в межэлектродный зазор s, который регулируется размерами зерен. Инструмент 2 кроме поступательного перемещения к заготовке 4 колеблется вдоль оси с ультразвуковой частотой. Эти колебания передаются инструменту от ультразвукового преобразователя 1. Процесс удаления материала происходит как за счет скалывания частиц заготовки 4, так и за счет анодного растворения припуска. Использование электрохимической обработки с наложением ультразвуковых колебаний резко повышает производительность процесса и снижает износ инструмента при ультразвуковой обработке.
При изготовлении круглых отверстий можно использовать аб-разивонесущий инструмент. Заготовка вращается, а инструменту, который выполнен в форме абразивного круга с отверстием для подвода электролита или имеет пористую конструкцию, сообщают ультразвуковые колебания. Электролит прокачивают со скоростью vd в зону обработки.
Ультразвуковые колебания используются при светолучевой обработке. На заготовку, в которой выполняются с помощью лазерного луча отверстия, подают ультразвуковые колебания, обычно продольные. При действии ультразвука расплавленный металл, образующий наплыв вокруг кромки обрабатываемого отверстия, не затекает в отверстие, а распыляется. Это повышает точность формы и размеров отверстий. При обработке алюминия, нержавеющей стали и бронзы с воздействием ультразвуковых колебаний (частота колебаний 20 кГц, амплитуда 20...40 мкм) наибольший эффект достигается при обработке алюминия, наименьший — при обработке бронзы; с увеличением амплитуды колебаний эффект растет. Этот метод может быть применен и при светолучевой резке.
Если пространство межэлектродного промежутка при электрохимической обработке облучить лазером, то резко возрастает скорость анодного растворения. Причем возникает возможность ускорять съем металла с тех участков, где припуск максимальный. Благодаря этому можно повысить точность изготовления деталей. Такой метод комбинированной обработки называют электрохимико-лучевым. В месте облучения необходимо предусмотреть прозрачное окно из материала, устойчивого к воздействию тепла и струи электролита.
Технологические схемы использования комбинированных методов аналогичны приведенным для размерной электрохимической обработки.
ГЛАВА 1. КРАТКИЕ СВЕДЕНИЯ О МЕТОДАХ
§ 1.1. Анодно-абразивная обработка
Все комбинированные методы обработки направлены на интенсификацию процесса анодного растворения. Скорость съема металла и точность формообразования при ЭХО зависят от того, насколько быстро будет идти реакция перехода материала заготовки в шлам. Скорость анодного растворения ограничивается наличием пленки, пассивирующей поверхность, и толщиной диффузионного слоя, который преодолевают удаляемые продукты обработки.
При анодно-абразивном шлифовании твердые частицы (абразивные зерна или наполнитель) повреждают пленку, активируя тем самым процесс ЭХО. Размеры абразивных зерен, определяющие межэлектродный зазор, как правило, не превышают десятых долей миллиметра. При таких малых зазорах плотность тока будет значительно больше, чем в случае размерной электрохимической обработки. Резко возрастает скорость съема металла в зоне действия абразивных зерен инструмента. Кроме того, часть припуска удаляется механическим шлифованием. В отличие от обычного шлифования при анодно-абразивной обработке на поверхности заготовки не образуется более прочный наклепанный слой, а производительность шлифования повышается. Следовательно, интенсивность съема металла при анодном растворении возрастает вследствие механического удаления пассивирующей пленки и ускорения процесса выноса продуктов обработки из промежутка, а электрохимическое растворение части металла, в свою очередь, способствует повышению скорости механического шлифования. Кроме указанных составляющих съема при малых зазорах может иметь место электро-эрозионный процесс. При малых размерах зазора часть металла заготовки удаляется за счет электрической эрозии.
Скорость съема Q металла с заготовки может быть представлена в виде следующей суммы:
Q=Qi + Q2+Q3, (IX.1)
где Qi — скорость анодного растворения металла за счет ионного тока; Q2 — скорость механического удаления припуска абразивными зернами; Q3 — скорость электроэрозионного съема металла.
Соотношение между составляющими общего съема может изменяться в широких пределах. Если зерна 2 (рис. IX.5, а) только касаются заготовки /, то припуск в основном удаляется анодным растворением. Механический и электроэрозионный съем практически отсутствуют. При значительном усилии на инструмент выступающие части зерен 1 (рис. IX.5, б) могут углубляться в заготов-
КУ 3. В этом случае между металлическим инструментом и заготовкой на каком-то участке образуется контакт. Заготовка с инструментом могут контактировать посредством частиц стружки 2. Режим обработки может быть таким, что сочетание всех составляющих в формуле (IX. 1) дает возможность получить наиболее высокую скорость удаления припуска и обеспечить заданное качество поверхности. Этот режим устанавливают обычно по результатам
экспериментов и поддерживают его, сохраняя параметры процесса, в частности усилие прижима инструмента к заготовке.
а/
Рис. IX.5 Рис. IX.6
Если используется схема обработки с электронейтральным инструментом (см. рис. IX.1, б), то скорость съема по формуле (IX.1) определяется двумя составляющими. Электрическая эрозия здесь не возникает. Однако и в этом случае сказывается эффект взаимного положительного влияния шлифования и анодного растворения, в результате которого суммарная скорость съема металла значительно превышает сумму отдельных составляющих, взятых без уче- . та такого влияния.
При подаче в зону обработки свободного абразива (см. схему на рис. IX.2, а) процесс протекает так же, как при закрепленном зерне. Однако здесь сложно поддерживать постоянную концентрацию зерен в межэлектродном пространстве и съем материала за счет механического шлифования нестабилен. Это влияет на составляющую Qz в формуле (IX.1) и процесс становится трудно управляемым. Чтобы избежать коротких замыканий, вызывающих при-жоги поверхности, обработку свободным абразивом обычно ведут при пониженных напряжениях (67< 10 В).
В случае подачи наполнителя струей электролита (см. рис. IX.2, б) расстояние от сопла до обрабатываемой поверхности может достигать десятков миллиметров, поэтому напряжение на электродах повышают до С7=6О...8О В. Ускорение съема припуска с заготовки происходит за счет удаления пассивирующей пленки и интенсификации анодного растворения. При использовании металлических наполнителей достаточно больших размеров удается повысить электропроводность электролита, что также способствует ускорению съема металла.
При анодно-абразивном полировании припуск удаляется либо анодным растворением металла и съемом абразивным зерном, ли-150
бо только растворением. В первом случае инструмент содержит связанный или свободный абразивный порошок, во втором — в качестве инструмента используют деревянные или пластмассовые бруски, расположенные между металлическими электродами-инструментами. В последнем варианте скорость съема определяется только анодным растворением, а бруски способствуют механическому удалению пассивирующей пленки. На рис. IX.6 показана схема полирования диэлектрическим инструментом 1 без абразива. Перемещая его по поверхности заготовки 4, снимают пленку 3 на выступах неровностей. Сильнее всего растворение происходит на участках, расположенных ближе к электроду-инструменту 2 и не имеющих пассивирующей пленки — высота неровностей уменьшается.
Производительность анодно-абразивной обработки с применением связанного электропроводного абразива во многом зависит от скорости замены изношенных зерен свежими. Для этого требуется регулировать износ абразивного инструмента. В одних случаях это можно осуществить за счет составляющей Q3 съема металла [см. формулу (IX.1)]. Абразивный инструмент, как и электрод-инструмент, при электроэрозионной обработке под действием разрядов частично разрушается, обнажая свежие режущие зерна. Для разных обрабатываемых материалов интенсивность износа инструмента различная, поэтому экспериментально подбирают или теоретически рассчитывают такое напряжение на электродах и такое давление инструмента на заготовку, чтобы получить наибольшую производительность при минимальном расходе кругов или брусков.
При обработке вязких сплавов на инструмент налипают частицы обрабатываемого материала, что препятствует срезанию стружки. Налипание вызывает местные прижоги на заготовке и ухудшает точность обработки. Чтобы устранить этот недостаток, на электроды подают напряжение обратной полярности, т. е. заготовку подключают к отрицательному полюсу. Происходит анодное растворение инструмента, и налипший металл полностью удаляется. Применяют также схемы правки с разнесением зон обработки и правки.
§ 1.2. Электроэрозионно-химическая обработка
Комбинированный метод электроэрозионно-химической обработки (см. рис. IX.3) представляет сочетание двух процессов, которые оказывают взаимное влияние друг на друга, значительно повышая производительность и снижая износ инструмента. Исследования показывают, что при каждом импульсе последовательно осуществляется сначала анодное растворение, а затем электрическая эрозия металла. Скорость съема определяется зависимостью Q= = Qi + <?3, где Qi — скорость съема металла за счет анодного растворения, Q3 — скорость съема за счет эрозии.
Процесс анодного растворения создает хорошие условия для пробоя промежутка, так как на катоде-инструменте имеется парогазовый слой. Эрозия обрабатываемой поверхности, в свою очередь,
способствует удалению пассивирующей пленки, значительно ускоряет диффузию и вынос продуктов обработки. Процесс наиболее эффективен при благоприятных условиях удаления продуктов обработки: малой площади рабочей поверхности электрода-инструмента, небольшом размере углубления. Так, при прошивании отверстий скорость подачи электродов после углубления на несколько миллиметров снижается в несколько раз.
Электрическая эрозия сильно сказывается на размерах шероховатости поверхности. На ней возникают углубления, которые несколько сглаживаются анодным растворением, но качество обработки все же хуже, чем при ЭХО. Износ электрода-инструмента от воздействия эрозии может быть снижен, если изготовлять его из эрозионностойких материалов (графита, вольфрама). Энергоемкость такого метода значительно ниже, чем электроэрозионного. Это объясняется лучшими условиями протекания процесса и за счет этого снижением числа разрядов, не производящих удаления металла.
§ 1.3. Наложение на электрод-инструмент ультразвуковых колебаний
В процессе ЭХО на поверхности заготовки протекают химические реакции и на ней непрерывно образуется пленка оксидов. Такая пленка очень хрупкая и может скалываться под действием ударов абразивными зернами. Воздействуя на абразивные зерна ультразвуковым инструментом, удаляют пленку и резко снижают пассивацию поверхности. Здесь также имеет место положительное взаимное влияние элементов комбинированного процесса. Однако из-за низкой пассивации поверхности возрастает рассеивание тока и растворение металла вне зоны обработки.
§ 1.4. Воздействие лучевой энергии
При облучении лазером межэлектродного промежутка происходит местная концентрация энергии в зоне обработки, возбуждаются атомы и молекулы, ускоряется их взаимодействие в реакции. Луч, попадая в зону протекания процесса анодного растворения, нагревает электролит и повышает его электропроводность. Соответственно возрастает плотность тока, т. е. ускоряется съем металла с заготовки. Недостатком рассматриваемого метода является сильное поглощение лучевой энергии электролитом, особенно загрязненным. Поэтому положительный эффект воздействия лучом сильнее проявляется в чистых и особенно в безводородных электролитах.
При использовании комбинированных методов применяют в основном те же составы электролитов, что и при электрохимической размерной обработке. Иногда к ним добавляют антикоррозионные компоненты.
ГЛАВА 2. ТЕХНОЛОГИЧЕСКИЕ ПОКАЗАТЕЛИ
§ 2.1. Точность обработки
Анодно-абразивный метод используется как для черновых, так и для чистовых операций. При черновой обработке режимы выбирают, исходя из условия получения максимальной производительности. Для чистовых операций необходимо обеспечить высокую точность и хорошее качество обрабатываемой поверхности.
При использовании абразивонесущего инструмента точность обработки значительно выше, чем при электроконтактном или электрохимическом шлифовании, но ниже, чем при обработке абразивным или алмазным инструментом. Обычно погрешность после электроабразивного шлифования находится в пределах 0,02... 0,05 мм, а после электроалмазного — 0,01...0,02 мм. Для сравнения можно указать, что погрешность алмазного шлифования обычно составляет 0,001...0,005 мм. Снижение точности при наложении тока объясняется повышенным съемом металла на кромках и удалением его с поверхности, которая обработана абразивом начисто. А бесконтактный процесс анодного растворения зависит от многих параметров, которые изменяются во времени, поэтому съем металла на участках заготовки будет различным. Для повышения точности обработки перед последними ходами инструмента ток выключают и осуществляют выхаживание. Если используется электро-нейтральный абразивный инструмент, то в конце шлифования обработку также ведут без тока. Это позволяет обеспечить точность, как при применении абразивных или алмазных кругов.
В схемах шлифования со свободным абразивом сложно обеспечить его постоянную концентрацию в промежутке между заготовкой и инструментом. Поэтому не удается достичь стабильного съема припуска. Погрешность обработки по схеме на рис. IX.2, а обычно составляет 0,02...0,05 мм.
При анодно-абразивном полировании и хонинговании погрешности не превышают значений, получаемых при использовании традиционных методов.
В случае обработки удаленных участков заготовки в электролитах с наполнителем погрешности формы и размеров не регламентируются.
Электроэрозионно-химический метод позволяет получить такую же точность размеров, как ЭЭО и ЭХО. При небольшой глубине отверстий погрешности не превышают 0,1...0,3 мм.
При наложении ультразвуковых колебаний (см. рис. IX.4) погрешность размеров составляет 0,1...0,15 мм. Это значительно хуже, чем при обычной ультразвуковой обработке, где погрешности обычно не превышают 0,05 мм.
Следует ожидать, что направленное воздействие светового луча поможет управлять съемом металла по поверхности заготовки и благодаря этому заметно повысить точность формообразования.
§ 2.2. Качество поверхности
. Из-за постоянного обновления абразивных зерен усилия резания при анодно-абразивной обработке в 1,5...2,0 раза ниже, чем при шлифовании. При этом снижается наклеп поверхности, не образуются микротрещины. Металл, снимаемый с заготовки, не налипает на инструмент — исключается сильный нагрев из-за трения контактных поверхностей и не возникают местные прижоги. Такие дефекты особенно опасны для высоконагруженных деталей, работающих в условиях знакопеременных нагрузок (зубчатых колес, элементов шлицевых соединений). Отсутствие шлифовочных прижогов позволяет повысить ресурс деталей. Шероховатость поверхности после электроалмазной и электроабразивной обработки уменьшается из-за анодного растворения вершин микронеровностей. Средняя высота неровностей Яг может быть определена по зависимости Яг = = КЯ1Ш, где Ягш — высота неровностей после шлифования; К = = 0,1...0,5 — коэффициент, учитывающий скругление выступов при наложении тока.
С целью повышения точности последние ходы обычно выполняют без тока и тогда шероховатость электроабразивной и электроалмазной обработки близка к получаемой после шлифования инструментом той же зернистости. Если применяют электронейтральный инструмент, то обработку все время выполняют, не выключая тока. Это обеспечивает получение минимального наклепа, отсутствие приж’огов поверхности, снижение высоты неровностей до /?а=0,1... 0,15 мкм.
При обработке свободным абразивом удается получить шероховатость штампованных или литых деталей не ниже /?а=4,5 мкм. , Такие операции позволяют механизировать ручной труд при доводке труднодоступных поверхностей.
Электроэрозионно-химический метод дает возможность получить у стальных деталей закаленный поверхностный слой, благодаря которому повышается их износостойкость. Толщина этого слоя несколько меньше, чем после электроэрозионной обработки [см. формулу (1.15)]:
где k'T обычно не превышает 0,5&т в формуле (1.15).
Однако вследствие разрядов заметно ухудшается шероховатость поверхности по сравнению с электрохимической обработкой. На черновых операциях средняя высота неровностей при обработке сталей Яг = 100...150 мкм, при чистовых режимах /?а = 2...2,5 мкм. Расчет высоты неровностей можно выполнять по зависимости (1.14), в которой коэффициент kH берут в 1,2...3 раза меньше.
При наложении ультразвуковых колебаний на электрохимический процесс шероховатость несколько снижается по сравнению с обычной ультразвуковой обработкой. Это объясняется скруглением вершин выступов.
Облучение зоны обработки лазером не оказывает заметного влияния на качество поверхности.
§ 2.3. Производительность
Как указывалось в гл. 1, все комбинированные методы ускоряют процесс съема металла. При черновых режимах анодно-абразивной обработки съем металла происходит в основном за счет эрозии. Процесс близок к электроэрозионному. Скорость съема можно оценить по зависимости, аналогичной зависимости (1.9):
Q=kl,
где k — коэффициент, учитывающий материалы электродов, режим обработки и долю съема за счет анодного растворения и абразивного воздействия инструмента. Коэффициент k может в несколько раз превышать k2 в формуле (1.9).
Черновая обработка выполняется при повышенных напряжениях. При чистовых режимах съем металла абразивными зернами и эрозией снижается, но возрастает доля анодного растворения. Расчет скорости съема металла выполняют по формуле, вытекающей из выражения (II.7):
Q=sn1xt//(ps5), (IX.2)
где S — площадь обрабатываемой поверхности; гц — выход по току с учетом механической депассивации поверхности и скорости перемещения инструмента.
Если выполняется электроабразивное или электроалмазное шлифование периферией круга, то скорость съема металла находят через силу тока I и напряжение U на электродах:
Q=k'IU, (IX.3)
где kf — коэффициент, учитывающий условия протекания процесса (электролит, скорость на периферии круга и др.).
При использовании электронейтрального инструмента скорость съема возрастает из-за анодного растворения и, главное, из-за интенсификации процесса резания абразивным инструментом. Поэтому расчет производительности выполняют, как при шлифовании, а влияние тока учитывают коэффициентом, который может изменяться в широких пределах и зависит от свойств обрабатываемого материала.
Производительность процесса анодно-абразивной обработки с применением свободного абразива или наполнителя в несколько раз выше, чем при аналогичных операциях механической обработки. При использовании свободного абразива в схеме шлифования скорость съема металла находят по зависимостям обработки электро-нейтральным инструментом. Если обрабатывают удаленные от электрода с твердым токоведущим наполнителем участки поверхности, то производительность возрастает в десятки раз по сравнению с анодным растворением без наполнителя.
Скорость съема металла при электроэрозионно-химическом методе может быть оценена зависимостью
Q=k\I 1,
где /i — суммарная сила тока через межэлектродный промежуток; k{ — коэффициент, учитывающий материалы электродов, режим обработки и условия эвакуации продуктов обработки. Значение коэффициента k{ зависит прежде всего от глубины получаемой полости или отверстия. Так, в начале процесса скорость подачи электрода-инструмента может достигать 1,5 мм/'с (&i = 20...30), но уже на глубине 2...4 мм она снижается в 5... 10 раз. Скорость подачи электрода-инструмента зависит от скорости прокачивания через промежуток электролита.
Скорость съема металла при наложении ультразвуковых колебаний на ЭХО может быть в несколько раз выше, чем при ультразвуковой обработке:
Q=£Qye>
где Qy. з — скорость съема металла при ультразвуковой обработке; &=3...12 — коэффициент, учитывающий изменение скорости съема металла при наложении тока.
Если ультразвуковые колебания накладывают на абразивонесу-щий инструмент, то скорость процесса по сравнению с обработкой без ультразвука возрастает на 20...50%.
Скорость анодного растворения при облучении лазером может возрасти в 15...20 раз. Расчет производительности можно выполнять по зависимости, в которой необходимо учитывать влияние светового луча:
Q = ^e’H^Z7/(ps5),
где Л=1...2О— коэффициент, учитывающий ускорение процесса анодного растворения в зоне действия луча и зависящий от прозрачности среды, степени поглощения энергии луча жидкостью.
ГЛАВА 3. ПРОЕКТИРОВАНИЕ ТЕХНОЛОГИЧЕСКИХ ПРОЦЕССОВ
§ 3.1. Технологические возможности
Электроабразивное и электроалмазное шлифование повышает производительность операции по сравнению с обычной абразивной обработкой в 50 раз, сокращает расход инструмента в 1,5...2 раза. Чтобы избежать дополнительных погрешностей, на кромках заготовки, где наблюдается повышенный съем металла, такую обработку выполняют в несколько этапов, последний из которых проводится либо при очень низком напряжении( 3...5 В), либо при выключенном источнике питания. При таком варианте удается достичь точности не хуже, чем при абразивном или алмазном шлифовании. Следует учитывать, что токопроводящие круги сложно править, придавая им требуемый профиль. Инструменты для электро-алмазного шлифования в большинстве случаев вообще нецелесообразно профилировать, если глубина профиля превышает несколько миллиметров. Это объясняется малой толщиной алмазоносного
слоя и значительной стоимостью удаленных при правке алмазных зерен.
Для изготовления деталей со сложным профилем целесообразнее применять схему со свободным абразивом, хотя точность формообразования здесь значительно ниже. Это объясняется тем, что пока еще нет надежных способов подачи абразива в зону обработки, чтобы количество зерен равномерно распределялось по поверхности. Такой вид обработки в основном применяют для предварительного удаления припуска или для случаев, когда допуски на размеры достаточно большие. Для плоских поверхностей или участков с плавным изгибом свободный абразив может успешно использоваться для притирочных и доводочных операций, обеспечивая при этом высокое качество поверхности и точность формы.
Обработка в электролите с неэлектропроводным наполнителем дает возможность получить шероховатость поверхности штампованных или литых деталей в пределах мкм. При этом время процесса по сравнению с механической обработкой сокращается примерно в 20 раз.
Если наполнитель электропроводный, можно, кроме ускорения процесса удаления неровностей, обеспечить размерный съем металла, т. е. получать требуемую точность удаленных от места подвода тока поверхностей. К таким деталям относятся внутренние поверхности корпусов насосов компрессоров, закрытые центробежные колеса.
Электроэрозионно-химическая обработка позволяет получить шероховатость 7?а^2,5 мкм, как при сверлении и черновом зенке-ровании. Скорость подачи электрода-инструмента в начале процесса в 25 раз выше, чем при электрохимическом прошивании, и в несколько раз превышает подачу при сверлении даже обычных сталей. Однако затем она резко снижается и при глубине обработки более 10 мм практически соответствует аналогичным показателям размерной электрохимической обработки. При этом получается худшее качество поверхности, а также имеет место износ электрода-инструмента. Поэтому электроэрозионно-химический метод в основном эффективен для прошивания неглубоких гладких и ступенчатых отверстий, щелей, пазов, углублений.
Ультразвуковая обработка в абразивонесущем электролите производится с высокой производительностью и с малым износом инструмента, но она не позволяет получить детали с жесткими допусками на размеры. Опыт показывает, что для повышения точности процесс обработки целесообразно выполнять в несколько этапов, последний из которых осуществлять без тока. Данный вид обработки ппименим для изготовления деталей из хрупких токопроводящих материалов, например твердых сплавов. Этим методом выполняют пресс-формы для резины и стекла, вырубные штампы, фильеры.
С помощью абразивонесущего инструмента можно получать круглые углубления и отверстия. Особенно заметное повышение производительности наблюдается при изготовлении деталей из хрупких токопроводящих материалов. Однако при подаче электролита
через поры в инструменте они быстро загрязняются и процесс анодного растворения нарушается. Требуется тщательно очищать электролит и обеспечить довольно высокий напор жидкости.
Облучение зоны обработки лазером позволяет ускорить процесс, если электролит прозрачен и путь луча в жидкости не превышает нескольких миллиметров.
§ 3.2. Режимы обработки
При проектировании процесса обработки следует выбрать и рассчитать:
1. Состав электролита в зависимости от обрабатываемого сплава.
При электроабразивном и электроалмазном шлифовании обычно применяют растворы, содержащие хлориды натрия и калия, нитрат и нитрит натрия. Массовая доля нитрита натрия в растворе не превышает десятых долей процента, но этого достаточно для защиты от коррозии деталей оборудования и заготовки. Для снижения вязкости в раствор добавляют несколько процентов фторида натрия. Такая добавка способствует растворению коллоидных гидрооксидов и повышает скорость съема металла. Известны также добавки, содержащие олеиновую кислоту, сульфаты, фосфаты, сегнетову соль. Они способствуют повышению качества поверхности, точности и производительности процесса.
При обработке жаропрочных сплавов в большинстве случаев применяют раствор хлорида и нитрата натрия, для твердых сплавов требуются добавки гидроксида натрия.
Шлифование электронейтральным инструментом выполняют с применением водных растворов буры, нитратов натрия и калия. Для твердых сплавов в электролит добавляют жидкое стекло. При хонинговании чаще используют растворы фосфатов и нитратов. Обработку электролитом с твердым наполнителем ведут в растворе хлорида натрия. Применение даже слабого (2...3%) раствора кислоты способствует значительному повышению электропроводности электролита, однако требует дополнительных мер по обеспечению техники безопасности.
Электроэрозионно-химическая обработка может осуществляться в 10...13%-ных растворах хлорида или нитрата натрия. Для снижения износа инструмента в рабочую зону подают углеродосодержащие газы, в частности бутан.
Наложение ультразвуковых колебаний и подача лучевой энергии в зону обработки не вносит изменений в состав электролита, рекомендованный для размерной электрохимической обработки.
2. Температуру электролита в баке, которая при всех методах комбинированной обработки остается такой же, как при электрохимическом методе. Исключение составляет нагрев жидкости под действием энергии светового луча. Однако данные по этому вопросу в литературе не приводятся.
3. Напряжение на электродах.
При анодно-абразивной обработке дли черновых операций напряжение выбирают в диапазоне 15...32 В, для чистовых — 3...15 В. Твердосплавные заготовки обрабатывают на нижних пределах указанных диапазонов. Если используют электропроводный наполнитель, то напряжение на электродах может быть выше (до 80 В).
Электроэрозионно-химическая обработка выполняется при напряжениях 12...30 В. Если процесс выполняется по схеме прошивания, напряжение составляет 25...30 В; при разрезании вращающимся электродом-инструментом — менее 20 В.
При наложении ультразвуковых колебаний значение напряжения зависит от размеров абразивных зерен. Напряжение U (В) можно приближенно рассчитать по экспериментальной зависимости
£7=4,54-0,1/,
где I — размер зерна, мкм.
При облучении зоны обработки лазером можно в 1,5...2 раза снизить напряжение без ухудшения технологических показателей. Это позволяет сократить энергоемкость процесса.
4. Давление инструмента на заготовку.
В случае электроабразивного и электроалмазного шлифования связанным и свободным абразивом для получения наиболее высокой производительности и точности давление инструмента на обрабатываемую поверхность должно быть в пределах 0,2...0,5 МПа. Большие усилия прижима вызывают ускоренный износ круга и ухудшение технологических показателей процесса.
При шлифовании электронейтральным инструментом электрод-инструмент не касается заготовки. При полировании и хонинговании оптимальное давление инструмента на заготовку не превышает 0,05...0,3 МПа. Оно обеспечивает получение шероховатости до = 0,04 мкм при минимальном времени на операцию.
Совместное использование ультразвукового и электрохимического методов не требует изменения усилия прижима инструмента к заготовке.
5. Выбор оборудования, электрода-инструмента, зернистости абразива и наполнителя. Выполняется по рекомендациям, данным ниже в гл. 4 и 5.
6. Расчет скорости перемещения рабочей части инструмента относительно обрабатываемой поверхности, т. е. движения, не связанного с подачей инструмента. Как видно из гл. 1, увеличение скорости движения инструмента улучшает вынос продуктов обработки и способствует ускорению процесса, повышению качества детали. Однако скорость движения ограничена прочностью кругов, возможностями подачи электролита и т. д.
Для шлифования абразивным и алмазным инструментом со связанным и свободным зерном частота вращения п круга диаметром DK составит п=у/(яОк), где и=18...3О м/с — скорость на периферии инструмента.
При электронейтральном инструменте скорость круга при шлифовании такая же, как в предыдущем примере, а при хонинговании
она определяется числом ходов брусков в единицу времени (обычно 0,5... 1,5 двойных хода в секунду) и частотой вращения заготовки.
Общую скорость ^общ находят путем сложения скорости v\ движения инструмента 1 вдоль оси отверстия и скорости v2 от вращения заготовки 2 (рис. IX.7): %бщ= K^i+^2, где щ =
(L — длина обрабатываемого от-
верстия; п\ — число двойных ходов в секунду); v2 = nD^n (Од — диаметр отверстия; п — частота вращения заготовки, об/с). Общая скорость иОбщ изменяется в пределах 0,1 ... 2,5 м/с. При полировании скорость может составлять уОбщ = = 1 ... 10 м/с. Скорость перемещения наполнителя зависит от скорости электролита и изменяется в широких пределах (1 ... 30 м/с).
Наложение ультразвуковых колебаний приводит к ускорению дви-
Рис. 1Х.7
жения абразивных частиц. Скорость здесь задают через частоту и амплитуду колебаний инструмента, как при обычной ультразвуковой обработке.
ГЛАВА 4. ОСОБЕННОСТИ ПРОЕКТИРОВАНИЯ И РАСЧЕТА ИНСТРУМЕНТОВ
§ 4.1. Конструкция
При электроалмазной обработке используют стандартные шлифовальные круги, головки и диски на металлической связке. Алмазоносный слой наносится (например, электрохимическим наращиванием) на металлическую оправку или крепится электропроводным клеем или пайкой. Наиболее широко применяют круги с алмазоносным слоем на периферии и торцовой поверхности. Кроме того, находят применение цилиндрические абразивонесущие инструменты, которыми выполняют операции сверления и фрезерования. В этих инструментах электролит поступает в рабочую зону через центральное отверстие или через пористый алмазоносный слой. Для разрезания применяют металлические диски, покрытые алмазным порошком. Если диаметр круга превышает 200 мм, то можно применять круги, собранные из отдельных секторов. Секторы устанавливают с определенным зазором, через который протекает электролит. В кругах с малыми диаметрами на рабочую поверхность наносят углубления, которые образуют канавки для протекания электролита. Это способствует равномерному съему металла и повышению производительности,
Электроабразивные круги получают прессованием смеси абразивных зерен и металлического порошка (из меди, железа, алюми-
ния), литьем с ультразвуковым перемешиванием среды до ее затвердевания, гальваническим закреплением зерен на корпусе круга, вдавливанием абразива роликом. В качестве абразива может использоваться электрокорунд белый (для сталей), карбид кремния зеленый (для титановых и магниевых сплавов). Профиль кругов может быть как цилиндрическим, так и фасонным.
Производятся также абразивные круги на бакелитовой связке с добавлением графита, придающего им повышенную электропроводность.
Для обработки электронейтральным инструментом при шлифовании используют обычные абразивные круги. При хонинговании применяют инструменты с электропроводной оправкой и непроводящими абразивными брусками (хонинговальные головки). Иногда вместо брусков используют дерево, пластмассу. В этом случае абразив подают вместе с электролитом. В качестве абразива используют порошки корунда, оксид хрома и др.
При полировании электрод-инструмент выполняют из металлической оправки и притиров из дерева, резины, пластмассы. Для удаления припуска используют мелкие порошки оксидов хрома или алюминия, которые подаются вместе с электролитом в зону обработки. Концентрация абразива в электролите может достигать 100...150 г/л.
В качестве свободного абразива применяют абразивные и алмазные порошки, бой деталей из фарфора, керамики, стекла. Размеры таких частиц могут достигать нескольких миллиметров. Токопроводящим наполнителем могут служить гранулы медно- и коксографитовых композиций, металлические шары диаметром в несколько миллиметров из нержавеющих сталей, меди, латуни.
Для электроэрозионно-химической обработки применяют инструменты такие же, как для ЭЭО. Их изготовляют из меди, латуни, графитовых материалов.
При комбинации ультразвукового и> электрохимического методов инструмент должен отвечать требованиям, изложенным в ч. III. Он может иметь ступенчатую конусную или экспоненциальную форму. Электролит может проводиться через внутреннюю часть инструментов, выполненных из низколегированных сталей.
§ 4.2. Износ и профилирование
Круги для электроалмазной и электроабразивной обработки, полученные прессованием или литьем, имеют высокую стойкость. Их износ при обработке даже фасонных поверхностей не превышает 2% от объема снятого металла (в 80... 100 раз меньше, чем при обычном шлифовании). У кругов с графитовым наполнителем износ на порядок выше и их необходимо часто править. Круги, изготовленные гальваническим методом и накатыванием, имеют тонкий рабочий слой; когда он изнашивается, круг становится непригодным.
Рассмотрим изготовление профиля кругов, получаемых прессованием и литьем. Смесь металлов с абразивом, из которой сделан круг, вызывает быстрое
затупление рабочей кромки правильного инструмента. Это затрудняет получение требуемой точности профиля. Поэтому для профилирования часто применяют электроэрозионную и электрохимическую обработку.
Для чернового формообразования рабочей поверхности круга используют точение твердосплавными и минералокерамическими резцами. Резцы выполняют в форме роликов и набирают их на оправку. Такая конструкция позволяет снизить износ и получить более точный профиль. Погрешность профиля составляет несколько миллиметров. Если профилирование круга выполняют электроэрозион-ным или электрохимическим методом с использованием профильных электродов, скорость съема металла возрастает в 1,5 ... 2 раза, а погрешность профиля снижается до 0,1 ... 0,2 мм.
Чистовое профилирование производят алмазными резцами и вращающимися роликами. Применяют также алмазные иглы и карандаши, работающие на правильных устройствах. Они перемещаются с помощью пантографов от копиров, имеющих форму профиля на круге.
Профилировать круги можно не только правкой, но и пластической деформацией. Здесь инструментом служит ролик с наружным профилем, обратным профилю круга. В большинстве случаев такие операции выполняют с нагревом зоны деформации. В результате удается получить профиль с погрешностью в пределах 6 ... 7-го квалитета СЭВ.
Круги с графитовым наполнителем достаточно просто профилируют твердосплавными и алмазными резцами.
При электроэрозионно-химическом методе относительный износ инструмента зависит от плотности тока на аноде и площади обрабатываемой поверхности. Так, с увеличением плотности тока с 1 до 5 А/мм2 износ возрастает в 6...8 раз и для графитовых материалов составляет 0,5...3,0%, для чугуна — 4...8%, для латуни и меди— до 5% объема снятого металла.
Износ инструмента при наложении ультразвуковых колебаний зависит от плотности тока. Плотность тока ограничивают значениями 0,15...0,2 А/мм2. При этом износ инструмента в 8...10 раз ниже, чем при ультразвуковом прошивании. Рассчитывают и изготовляют инструмент так же, как для ультразвуковой обработки.
ГЛАВА 5. ОБОРУДОВАНИЕ
§ 5.1. Анодно-абразивные станки
Станки для шлифования по конструкции и внешнему оформлению похожи на обычные шлифовальные станки. Они делятся на несколько групп: а) для плоского, круглого наружного и внутреннего шлифования, б) для суперфинишных операций, хонингования, в) для разрезания заготовок, заточки инструмента и др. Плоское шлифование можно выполнять как периферией, так и торцом круга. Торцовое шлифование более производительно, так как происходит по большей площади. Шлифование врезанием используется при изготовлении небольших деталей, размеры которых не превосходят ширины круга. И^-за интенсивного износа инструмента такой способ не позволяет получать детали высокой точности, поэтому необходима окончательная обработка, обеспечивающая требуемую форму поверхности.
На станках для круглого наружного шлифования можно обрабатывать короткие заготовки. Тогда инструмент работает только с поперечной подачей (если длина заготовки превышает ширину круга, то требуется и продольная подача). При электроабразивной и электроалмазной обработке круг врезается на глубину припуска при неподвижной заготовке, далее круг только вращается, а заготовка медленно поворачивается вокруг оси. После снятия припуска круг устанавливают по требуемому размеру заготовки
и увеличивают частоту вра
щения инструмента и заготовки. Происходит выхаживание профиля.
Если длина заготовки значительная, то описанную операцию повторяют для каждого участка, а затем выхаживают всю поверхность.
При внутреннем шлифовании станки позволяют не просто увеличивать диаметр предвари* тельно изготовленного отверстия, но и получать его сверлением в цельном материале. Сверла малых диаметров (менее 7 ... 8 мм) де
Рис. IX.8
лают сплошными, сверла
больших размеров — кольцевыми. Станки имеют осевую и ради
альную подачу, что позволяет после вскрытия отверстия выполнять калибровку профиля.
К специальным станкам для заточки инструмента предъявляются дополнительные требования по обеспечению точного базирования обрабатываемых заготовок, быстрого их закрепления. Вместе с тем настроечные подачи здесь обычно не механизированы. Обычно продольная подача осуществляется от электродвигателя, а поперечная — вручную. Большинство заточных станков работает в полуавтоматическом или автоматическом режиме.
При создании станков необходимо обеспечить герметизацию рабочей зоны, изолировать инструмент от заготовки. На рис. IX.8 показан станок для электроалмазной обработки с горизонтальным шпинделем 2. Он содержит источник питания 3. Приборы контроля и управления процессом анодного растворения размещены на торцовой части источника. В станине 4 станка размещен бак для электролита, насос для его подачи, магистрали подвода и отвода жидкости, фильтры. Рабочая зона закрыта прозрачным кожухом 1.
Большинство электроабразивных и электроалмазных станков без какой-либо переделки могут использоваться для обычного шлифования. Такое оборудование работает с высокой частотой вращения шпинделя и требует тщательной балансировки абразивного круга.
Для электроалмазного сверления и фрезерования используют станки с вертикальной осью шпинделя (рис. IX.9). Здесь источник питания 3 с приборами контроля и гидравлический агрегат 4 расположены в автономном блоке. Рабочая часть закрыта прозрачным кожухом 2, имеющим съемные стенки для доступа к заготовке и инструменту 1, Площадь, занимаемая этим станком, близка к площади, необходимой для размещения фрезерного станка.
Рис. IX.9
Станки для полирования, притирки и хонингования имеют устройства для периодического отключения тока, что позволяет получать повышенную точность профиля. В отличие от обычных станков при наложении тока можно получать заданную шероховатость непосредствен-
Рис. IX.10
Рис. IX.11
но после точения, минуя шлифование. Это снижает трудоемкость доводочных операций.
При обработке свободным абразивом используют установки, в, которых заготовка вращается, а абразивный наполнитель перемещается между электродом-инструментом и обрабатываемой поверхностью.
На рис. IX.10 показана схема рабочей части станка для обработки внутренней поверхности корпуса 1 компрессора. Вал 2 неподвижен и изолирован от корпуса 1 посредством прокладок 3. На валу закреплены электроды 4, которые при вращении корпуса 1 перемещают абразивный наполнитель 5. Корпус наполнен электролитом 6. Такие станки обеспечивают высокое качество поверхности даже тех участков, которые не могут быть обработаны другими способами.
Для обработки поверхностей электропроводным наполнителем имеются станки, схема одного из которых показана на рис. IX.11. Электролит с наполнителем поступает в сборник 2 и оттуда крыльчаткой 1 подается на заготовку центробежного колеса 3. Сборник 2 подключен к отрицательному полюсу источника питания. Ванна 4 выполняется конической, чтобы обеспечить подачу наполнителя в сборник 2. В ней предусмотрены гасители 5 пульсаций жидкости. Крыльчатка 1 вращается от электродвигателя 7 с регулируемой частотой вращения. Ток от положительного полюса источника питания передается к заготовке 3 посредством щеток 6 Управление станком производят с пульта 8 на верхней части ванны. Особенностью описанной конструкции является возможность герметизации электрической части (пульта, электродвигателя и др.) от зоны с электролитом. Это позволяет повысить надежность и долговечность оборудования при эксплуатации.
§ 5.2. Станки для электроэрозионно-химической обработки и обработки с наложением ультразвуковых колебаний
Электроэрозионно-химические станки изготовляют на базе электрохимических, оснащая их генераторами импульсов. Доработке подлежит механизм подачи электрода-инструмента — здесь требуется повысить предельную скорость подачи до 1,2... 1,5 мм/с. Анодное растворение ведут при силе тока не более 600 А, насос для подачи электролита должен обеспечивать напор 50 ...80 м, объем ванны для электролита составляет 2 ... 2,5 м3.
При сочетании электрохимической и ультразвуковой обработки свободным абразивом станки выполняют на базе серийного ультразвукового оборудования. К нему добавляют источник питания и мощный насос для подачи электролита с абразивом. Инструмент должен быть изолирован от станка.
Станки для обработки абразивонесущим инструментом с наложением ультразвука имеют конструкцию, аналогичную оборудованию для электроабразивного и электроалмазного шлифования. Они оснащены ультразвуковыми генераторами, передающими колебания на инструмент.
§ 5.3. Особенности техники безопасности
В зависимости от комбинации методов обработки при разработке инструкций по технике безопасности необходимо учитывать все требования, обязательные для выполнения при каждом из методов. Некоторые требования будут общими, поэтому их следует объединить.
Часть X
НЕКОТОРЫЕ ВОПРОСЫ ОБЩЕЙ ТЕОРИИ ЭЛЕКТРОФИЗИЧЕСКИХ И ЭЛЕКТРОХИМИЧЕСКИХ МЕТОДОВ ОБРАБОТКИ
§ 1. Свойства деталей
Благодаря развитию новых методов обработки чрезвычайно расширились возможности изготовления деталей. К традиционным способам обработки, применяемым в машиностроении — резанию, литью, обработке давлением, добавился ряд других, основанных на физико-химических и электромагнитных явлениях. Эти новые способы условно относят к классу электрофизико-химических процессов. Их число непрерывно растет. Для каждого из способов характерны свой круг технологических задач, определенные возможности и особенности процесса изготовления деталей. Внедрение электрофизических и электрохимических методов выдвинуло ряд новых технологических проблем и вместе с тем способствовало выявлению того общего, что присуще любому процессу обработки. Самое главное, что объединяет эти процессы, — их конечная цель — производство детали с требуемыми свойствами.
Все процессы можно разделить на размерную и 'неразмерную обработку. В процессах размерной обработки конфигурация детали приобретает новые геометрические свойства, которых не было у заготовки. При этом изменения конфигурации достаточно велики по сравнению с точностью определения размеров и допустимыми отклонениями. К таким процессам относятся ЭЭО, ЭХО и др. В случае неразмерной обработки изменения конфигурации не происходит, либо оно настолько мало, что его можно не учитывать. Примеры подобных процессов — окраска, нанесение тонких покрытий, упрочнение, термообработка и т. д.
В общем случае требования к свойствам детали весьма разнообразны. Благодаря совершенствованию технологических показателей оборудования стало возможным изготовлять детали с необычными свойствами.
Любой детали соответствуют две области занимаемого ею ограниченного пространства: внутренний объем и поверхность — граница между деталью и окружающей средой. Все свойства детали делят на физико-химические и геометрические.
Физико-химические свойства описывают рядом величин, которые относятся либо к поверхности, либо к внутреннему объему детали. Примеры величин, относящихся к поверхности: это поверхностная энергия (твердость), цвет, коэффициент отражения света и др. Величинами, относящимися к объему, могут быть плотность, 166
пористость, удельное содержание химических элементов, электрическое сопротивление, прочность и т. д. В общем случае значения любой величины зависят от положения точек ее измерения, как, например, у деталей, содержащих многослойные покрытия или изготовленных из композитных материалов. В некоторых случаях представляют интерес объемные физико-химические свойства детали, относящиеся только к поверхностному слою. Детали с равномерным распределением по объему физико-химических свойств характерны для ЭЭО, ЭХО и ряда других электрофизико-химических процессов удаления припуска.
Все другие свойства детали, описывающие ее в целом — масса, сопротивление усталости и т. д., — явно или неявно определяются соответствующими «объемными» или «поверхностными» величинами.
Геометрические свойства детали задаются ее реальной замкнутой поверхностью. Последняя может быть представлена сравнительно гладкой (геометрической) поверхностью, которая получена математическим усреднением реальной поверхности, с незначительными отклонениями от нее. Отклонения создают на ней геометрическую макро- и микроструктуру (отклонения формы и шероховатость) .
Электрофизическими и электрохимическими методами можно изготовлять детали сложной конфигурации. Оценка точности таких деталей, т. е. сравнение их с «чертежом», представляют одну из важнейших технологических задач. Геометрическая поверхность детали, в сущности, создает естественную для данного тела систему криволинейных координат, одна из которых направлена вдоль местной нормали. Чтобы сравнить геометрические свойства детали и «чертежа», следует совместить обе поверхности. Отличие двух таких близких конфигураций однозначно описывается совокупностью наикратчайших расстояний между обеими поверхностями. Эти расстояния отсчитывают в направлении местных нормалей к поверхности детали.
Сравнение обеих конфигураций целесообразно лишь для положения их наилучшего совпадения, когда максимальное расстояние оказывается наименьшим из всех возможных. Если в таком положении участок поверхности «чертежа» находится внутри детали, то местное расстояние между поверхностями Д0>О, а если вне детали— Д0<О. В точках, где обе поверхности совпадают, Д0 = О. В общем случае смещения точек поверхности детали Д0 — функция координат ее граничных точек. Погрешность обработки в общем случае можно определить, мысленно помещая поверхности детали и «чертежа» в положение наилучшего совпадения и находя наикратчайшие расстояния Д0 между поверхностя-ми. Эти расстояния, взятые с соответствующими знаками, представляют отклонения по местным нормалям размера детали от «чертежа». Если заданы аналитические уравнения обеих поверхностей, то отклонения Д0 также можно определить аналитически, а в идеальном случае на всей поверхности детали Д0 = О. В зависимости от
конкретных условий задают различные допустимые отклонения формы на поверхности детали. Местные отклонения по нормалям могут означать неплоскостность, овальность, бочкообразность и т. д.
Если после обработки геометрическая поверхность детали смещена относительно поверхности заготовки на столь малые расстояния Д9, что они меньше допустимой погрешности, то данный процесс не относится к размерной обработке (формообразованию). При подобных процессах обработки могут изменяться лишь физико-химические свойства твердого тела (закалка, цементирование, окраска), состояние вещества (нагрев) или величины, описывающие шероховатость реальной поверхности (полирование).
Все детали можно разделить по физико-химическим и геометрическим свойствам. Например, по физико-химическим свойствам (по виду материала) различают детали из твердых, жаропрочных и других сплавов. По геометрическим особенностям выделяют детали в виде тел вращения, цилиндрические детали, детали с малыми отверстиями и пр. Технологичность деталей с разными свойствами неодинакова для данного процесса обработки. Некоторые процессы, предпочтительные для обработки определенных деталей, совершенно неприменимы для деталей с другими свойствами.
По ряду причин свойства реальной детали отличаются от заданных. Точность обработки в целом определяется погрешностями «объемных» и «поверхностных» физико-химических величин, разницей действительной и заданной шероховатости, а также смещением Д0 геометрической поверхности детали относительно поверхности, установленной чертежом. Деталь изготовлена с требуемой точностью, если все перечисленные погрешности лежат в пределах допустимых отклонений соответствующих свойств твердого тела.
§ 2. Развитие конфигурации заготовки в процессе формообразования
Тело с развивающимися свойствами, переходящее в конце процесса размерной обработки в деталь, называют заготовкой. Как и деталь, заготовку описывают текущими физико-химическими и геометрическими свойствами, зависящими в общем случае не только от времени, но и от координат.
В процессе размерной обработки заготовка — динамический объект. Развитие ее геометрических свойств определяется движением точек ее текущей поверхности по местным нормалям. В произвольный момент времени t скорость и смещения граничных точек заготовки с координатами х3, z/з, £з
й(х3, у3, z3)=A0(x3, у3, z3)/M, (Х.1)
где Д0(х3, Уз, zs)—расстояние, которое проходит данная точка в направлении местной нормали за малый отрезок времени АЛ Если точка движется в направлении внешней нормали, м>0; в направлении внутренней нормали, — и<0; на необрабатываемой части поверхности м = 0.
Выражение (Х.1) справедливо для любого метода размерной обработки. В зависимости от особенностей процесса возникают те или иные закономерности изменения скоростей и во времени и пространстве.
В математическом смысле причина формообразования — наличие скоростей смещения граничных точек заготовки по местным нормалям. Распределение скоростей и на поверхности заготовки задается характером данного процесса. От этого распределения зависят такие показатели, как точность и производительность процесса.
Развитие поверхности заготовки может сопровождаться переориентацией местных нормалей. Во время формообразования поверхностные точки заготовки перемещаются по линиям, которые называют т р а е кт о р и я м и. Траектории кончаются на обрабатываемой поверхности детали, а начинаются на некоторой поверхности, находящейся внутри заготовки. Например, при электроэрозион-ной, электрохимической, ультразвуковой обработке траектории располагаются в объеме удаляемого припуска. Есть процессы, в начале которых отсутствует исходное твердое тело, как, например, при литье или спекании порошков.
В течение обработки скорость и может непрерывно изменяться как по координатам на поверхности заготовки, так и по времени. Так происходит при ЭХО, магнитоимпульсной или электровзрывной обработке. Скорости и могут изменяться прерывисто по времени и/или по координатам на поверхности заготовки. Например, при импульсной электрохимической обработке скорости и становятся равными нулю сразу на всей обрабатываемой поверхности заготовки; при электроннолучевой или лазерной резке ограниченная область, где скорости и=#0, перемещается по поверхности заготовки; при ЭЭО съем материала происходит благодаря образованию в разное время множества лунок на поверхности заготовки и ограниченная область, где и=И=0, перемещается по поверхности заготовки, а в течение некоторых промежутков времени скорость и = 0 на всей поверхности заготовки. За сравнительно большой отрезок времени скорость и целесообразно усреднять по времени и координатам. Так поступают при оценке скорости съема при электроэро-зионной, ультразвуковой или импульсной электрохимической обработке.
Если векторы скорости и в течение процесса занимают трехмерную область пространства, то формообразование объемное, как, например, при ЭХО или ЭЭО. Процесс может описываться трехмерным, двумерным или одномерным уравнением (Х.1) формообразования. В трехмерных уравнениях скорость и зависит от трех коордийат на поверхности заготовки. Обработка цилиндрической поверхности описывается двумерными уравнениями, обработка плоских или сферических поверхностей — одномерными. Если во время обработки векторы скорости и (и траектории) располагаются на некоторой поверхности, то формообразование поверхност
ное, как, например, при возникновении трещины или диффузионной сварке двух тел.
•Существует два вида формообразования: необратимое, когда направление движения точек по траекториям не меняется в течение всего процесса, как при ЭЭО, ЭХО, и обратимое, когда, например, при ковке может меняться направление движения поверхностных точек заготовки по местным траекториям. В необратимых процессах практически невозможно вносить поправки, в частности при удалении припуска нельзя восстановить обработанную поверхность заготовки.
И заготовка, и поле скоростей в некоторой системе координат в любой момент времени обладают тремя поступательными и тремя вращательными степенями свободы. Возможны следующие кинематические разновидности формообразования: 1) векторы скоро-стей и в пространстве неподвижны, заготовка перемещается (резание, электрохимическое точение); 2) заготовка неподвижна, векторы скоростей и перемещаются (прошивание при ЭХО или ЭЭО); 3) поле скоростей и заготовка перемещаются (применяется редко).
Когда в течение процесса характер движения заготовки и поля скоростей не изменяются, то кинематика формообразования однородная. Возможности процессов в значительной степени определяются движениями заготовки и поля скоростей.
§ 3. Классификация процессов
Любой процесс обработки складывается из простейших актов формообразования, происходящих за короткий промежуток времени Д/ в небольшой окрестности поверхностной точки заготовки. Такие простейшие акты можно представить тремя объемными геометрическими разновидностями: 1) с поступательным перемещением участка поверхности; 2) с изменением местного радиуса кривизны поверхности в рассматриваемой точке; 3) с вращением участка поверхности в окрестности данной точки.
Первая разновидность — основная. Из поступательных перемещений участков обрабатываемой поверхности заготовки складываются процессы электроэрозионной, электрохимической, магнитоимпульсной, плазменной размерной обработки, катодного осаждения, плазменного напыления. Вторую и третью разновидности можно реализовать лишь в особых условиях. В действительности они всегда сопровождаются поступательными перемещениями других участков поверхности заготовки. В пределе этим трем простейшим видам формообразования соответствуют процессы развития трещин в твердом теле, исчезновения, зарождения твердого тела и сдвига. По изменению скорости и во времени простейшие акты также делят на три временные разновидности: 1) с постоянной скоростью; 2) с импульсным изменением скорости; 3) с периодическим изменением скорости. При ЭХО на постоянном напряжении реализуется первая разновидность. При ЭЭО и импульсной ЭХО скорость и — импульсная.
За отрезок времени Д/ вследствие движения граничных точек заготовки со скоростью u(x3, </з, £з) изменяется объем заготовки. На единице поверхности заготовки такое изменение объема составляет uAt. Приращение объема всей заготовки
dI/3/d/=[[ad5, (Х.2)
Ч
где S3 — площадь текущей поверхности заготовки; dS— площадь элемента поверхности, движущегося со скоростью и. В зависимости от значения производной dV3/dt возможно формообразование: 1) при постоянном объеме (массе) заготовки, (dV3/d/ = 0); 2) с увеличением объема (массы) (dV3/d/>0); 3) с уменьшением объема (массы) (dV3/df<0). При магнитоимпульсной и электровзрывной обработке формообразование происходит без изменения объема заготовки. При катодном осаждении объем заготовки увеличивается. Электроэрозионная, электрохимическая и ультразвуковая обработка сопровождается уменьшением объема заготовки.
При формообразовании с постоянным объемом изменяется форма заготовки; в других случаях она может как сохраняться, так и изменяться. Таким образом, формообразование может сводиться к изменению: 1) объема (массы) заготовки постоянной формы, т. е. при сохранении подобия текущих поверхностей заготовки; 2) формы при постоянном объеме (массе); 3) объема (массы) и формы одновременно. В наиболее распространенных процессах, например, ЭЭО, ЭХО происходит изменение как объема, так и формы заготовки.
Смещение Д0 граничных точек заготовки вызывается определенными физико-химическими воздействиями на заготовку. Твердому состоянию заготовки соответствует некоторая плотность энергии вещества. Эта энергия определяется взаимодействием составляющих частиц. Частицы, по той или иной причине обладающие добавочной энергией, в известной мере независимы от своих соседей и могут перемещаться. Изменение конфигурации заготовки, т. е. появление смещения ДО со скоростью и, возможно, когда плотность энергии в области формообразования достигнет соответствующего уровня, превышающего энергию связи частиц. Смещение ДО вызывается такими физико-химическими воздействиями, которые создают неравномерность распределения плотности энергии. Физико-химический механизм обработки определяется той формой энергии, неравномерность которой вызывается указанными воздействиями.
Область, где изменяется поверхность заготовки, обменивается энергией со средой, окружающей заготовку, а также с внутренним объемом заготовки. Энергия W может накапливаться и в самой этой области. Согласно закону сохранения энергии,
PH+P„+dlW=0, (Х.З)
где Ря — поток энергии на границе области с внешней средой; Рв — поток энергии через границу области с внутренним пространством
заготовки; dW/di — скорость изменения энергии в самой области формообразования. В зависимости от физико-химического механизма обработки сумма (Х.З) не всегда состоит из трех слагаемых.
Формообразование определяется полной энергией W, приходящейся на рассматриваемый объект заготовки. Полная энергия W может содержать тепловую, механическую, магнитную, кинетическую и другие составляющие. В свою очередь полная энергия W зависит от потоков энергии в заготовку и из нее. Формы энергии, которой заготовка обменивается с внешней средой, определяются свойствами среды. Формы энергии обмена на границе области с внутренним пространством определяются свойствами заготовки.
Развитие конфигурации заготовки связано с преобразованием состояния ее вещества. За исходное, условно считающееся нулевым, принимается некоторое состояние вещества в произвольный момент /. Моменту t + At соответствует другая конфигурация заготовки. Вещество заготовки в момент /4-А/ может быть в одном из следующих состояний: 1) сохраняется объем, но изменяется площадь поверхности заготовки; 2) часть вещества перешла в пластическое состояние при высоком давлении; 3) часть вещества расплавлена или переведена в пар; 4) часть вещества ионизирована; 5) часть вещества изменила характер химических связей. Указанные состояния являются основными для формообразования. Каждому из них соответствует изменение некоторой характеристической величины а именно: Ех— площади поверхности; Е2— объема вещества в пластическом состоянии; Е3 — массы расплава или пара; Е4— количества электричества, необходимого для ионизации вещества; Е5 — массы вещества, перестроившего свои химические связи.
Прямые переходы вещества заготовки из исходного состояния в любое из перечисленных с номерами /=1, ..., 5 означают простейший акт формообразования, так же как и обратные переходы.
Когда / = 2, ..., 5, с увеличением объема заготовки необходимо подвести соответствующее вещество к поверхности заготовки, а при уменьшении объема требуется отвод вещества.
При формообразовании изменяется значение величины Ei в зависимости от знака скорости и. Если и>0, то Ei увеличивается, при u<0 Ei уменьшается.
Каждому состоянию при /=1, ..., 5 соответствует определенный тип воздействия: 1) механическое с поверхностной силой; 2) механическое с объемной силой; 3) термическое; 4) электрическое; 5) химическое. Формообразование, вызванное воздействием только одного типа, относится к простому методу. Название такого метода соответствует данному воздействию. Эти воздействия используются в электрофизических и электрохимических процессах обработки. Механическое воздействие поверхностной силой на заготовке происходит при электровзрывной или ультразвуковой обработке. Механической объемной силой электромагнитного происхождения вызывается формообразование при магнитоимпульсной обработке. Термическое воздействие использовано в электроэрозионной, лазерной 172
и электроннолучевой обработке. На химическом воздействии основаны процессы химического травления.
Итак, скорость смещения точек заготовки в простейшем случае может быть вызвана одним из пяти перечисленных физико-химических воздействий. Каждым из них можно вызвать поступательное смещение поверхности заготовки. В любом простом методе возможна также подача воздействий, меняющих податливость заготовки по отношению к основному воздействию, например, резание с пропусканием через зону обработки электрического тока, уменьшающего сопротивление резанию; штамповка с подогревом заготовки и т. д. Таким образом, простейшие акты формообразования в малой окрестности точки и за небольшой отрезок времени классифициру-—> ются по пространственным и временным особенностям скорости и, а также по виду физико-химического воздействия.
§ 4. Общие свойства методов формообразования
К механическому поверхностному методу (/=1) относятся процессы, в которых работа по изменению конфигурации заготовки связана с приращением площади ее поверхности. Внутреннее пространство заготовки почти не затрагивается подобными процессами. К данному методу, следовательно, можно отнести скалывание или образование трещин в хрупких материалах, а также образование неглубоких царапин в пластичном веществе. Процесс можно осуществить тремя способами. В первом способе формообразование происходит в зоне контакта двух твердых тел с различной (но конечной) поверхностной энергией, т. е. твердостью, например, при шлифовании или ультразвуковой размерной обработке. Во втором способе создается поверхностная сила, не вызванная действием другого твердого тела, а возникшая, например, благодаря потоку газа или жидкости. В третьем способе используется твердое тело, у которого поверхностная энергия значительно больше, чем у обрабатываемого материала. Этот метод характеризуется небольшими размерами области формообразования и высокой концентрацией энергии. При обработке площадь заготовки обычно увеличивается. Если происходит постепенное отделение частей заготовки, то ее объем в результате формообразования уменьшается. Указанные воздействия можно создать различными средствами. Этим и объясняется большое число технологических процессов, относящихся к данному методу.
В механическом объемном методе (/ = 2) используется пластичность вещества, возникающая в определенном объеме заготовки. Процесс можно осуществить тремя способами. В первом способе в заготовке создают разность давлений (резание, штамповка, экструзия). Во втором способе на материал заготовки действует объемная сила, как, например, при магнитоимпульсной штамповке. В третьем способе непосредственно задается сама скорость движения поверхности заготовки, как при электровзрывной штамповке тонких заготовок. К данному методу относятся разнообразные про
цессы, в которых объем заготовки уменьшается (резание), остается постоянным (штамповка) или увеличивается (экструзия).
В термическом методе (/=3) объем заготовки изменяется при переходах твердое состояниемрасплав или твердое состоянием пар. Движение поверхности заготовки означает перемещение границы раздела между твердым телом и расплавом (паром). В термических процессах с уменьшением объема заготовки тепловой поток направлен в твердое тело, как, например при ЭЭО, обработке лазерным или электронным лучом. При этом тепловая энергия передается в глубь заготовки благодаря теплопроводности. Передача энергии сопровождается изменением свойств материала заготовки, особенно в поверхностном слое. Кроме этого, вследствие теплопроводности расширяется область формообразования. Чтобы ее сузить, уменьшают размеры зоны ввода теплоты и применяют импульсную подачу тепловой энергии в заготовку. В термических процессах с увеличением объема заготовки теплота отводится от границы расплава, как при литье или наплавке.
Данный метод физически можно реализовать тремя способами. В первом способе поддерживают разность энтальпий, как, например при литье, снаружи и внутри формы. Смещение поверхности заготовки означает в этом случае движение границы кристаллизации расплава. Во втором способе необходимо подавать такие воздействия, благодаря которым непосредственно задается движение границы расплава и твердого состояния. В третьем способе задается тепловой поток, как, например при светолучевой обработке.
В электрическом методе (/=4) через обрабатываемую поверхность переносится электрический заряд. Благодаря этому существует ток положительных ионов вещества заготовки. При уменьшении объема ток направлен от обрабатываемой поверхности во внешнюю среду. Для ионизации атомов на поверхности заготовки на ней должно быть создано сильное электрическое поле, совпадающее с направлением тока. В процессах, служащих для увеличения объема заготовки, поле и ток направлены в одну сторону, но внутрь заготовки. Электрическим методом можно обрабатывать только электропроводные заготовки. Данный метод, в котором для формообразования непосредственно используют электрические явления, обычно применяют в комбинации с химическим. Например, при ЭХО атомы заготовки не только ионизируются, но и вступают в новые химические связи с атомами других веществ. Поскольку электрическое поле в электропроводной заготовке равно нулю, то электрический метод применим только для формообразования с поверхности. Его можно реализовать тремя способами. В первом, как при ЭХО, потециальном, между заготовкой и окружающей средой (точнее катодом-инструментом) поддерживается разность потенциалов. В силовом способе первоначально можно задать напряженность электрического поля. В третьем, п о -токовом, способе задается плотность тока на поверхности заготовки.
При химическом методе (1 = 5) изменяется масса вещества из-за
того, что часть его переходит в другое химически связанное состояние. Все химические процессы формообразования делят на два вида: с перестройкой структуры, но без изменения химического состава заготовки, например получение алмазов из графита, ис изменением химического состава вещества заготовки, например химическое травление. Процессы второго вида протекают только на поверхности заготовки, так как ее материал непроницаем для частиц нового вещества, участвующего в химических реакциях. Поэтому в процессах уменьшения объема следы химического воздействия наблюдаются только в поверхностном слое заготовки.
Простой метод — понятие в известной мере идеализированное. В общем случае на заготовку могут одновременно подаваться воздействия нескольких видов. Например, при уменьшений объема вещество заготовки может переходить в совмещенные состояния: смесь твердых частиц и расплава, ионов и пара и др. Комбинирование воздействий на заготовку очень распространено в современной технологии. По существу, совмещенными можно считать оба механических метода (/=1; 2), например в резании, когда одновременно изменяются площади поверхности заготовки и стружки, а также происходит пластическое течение материала в зоне резания. Электрическое и химическое воздействия совмещены в размерной электрохимической обработке. Электрохимическое воздействие на заготовку стало важной составной частью ряда других процессов, например электрохимического шлифования, где оно совмещается с механическим формообразованием.
Возможны три вида совмещения воздействий. Совмещение во времени, но при разнесении областей воздействий в пространстве, при достаточном удалении этих областей дает возможность совместить любые воздействия. Совмещение только в пространстве, но при подаче воздействий с определенным сдвигом во времени, с ростом такого временного сдвига повышается совместимость воздействий, поскольку они становятся все более независимыми друг от друга. Совмещение как в пространстве, так и во времени возможно далеко не для всех воздействий, а лишь для некоторых, например, химического и электрического, когда заготовка граничит с расплавом или раствором. Нередко благодаря комбинации воздействий значительно улучшаются технологические показатели процессов.
§ 5. Общие свойства оборудования для обработки материалов
Для изготовления деталей предназначено специальное оборудование, в котором организована передача энергии, массы и информации с целью формообразования или неразмерной обработки заготовки. Такое оборудование представляет собой определенную систему, состоящую из взаимосвязанных частей. Эта система окружена внешней средой, от которой отделяется некоторой условной поверхностью раздела. С точки зрения взаимодействия с внешней средой
все системы делят на: изолированные, не взаимодействующие с внешней средой, например ванны для химического травления, ц неизолированные, в частности, потребляющие из промышленной сети электрическую энергию. Понятие изолированности в определенной степени ограничено. Обмен системы с внешней средой может происходить благодаря потокам энергии (теплоты) вещества и информации.
С точки зрения начального состояния, системы делят на: равновесные, где без воздействия извне никаких процессов не протекает; неравновесные, в которых формообразование или вообще обработка возможна и без взаимодействия с внешней средой (ванна для химического травления). В изолированных равновесных системах никаких процессов не протекает, и мы не будем их рассматривать. Размерная или неразмерная обработка заготовки может быть вызвана: взаимодействием с внешней средой и/или начальной неравновесностью.
В изолированных неравновесных системах процессы неуправляемы, поскольку отсутствует воздействие извне на ход обработки. Процесс со временем замедляется, так как постепенно система стремится, постепенно приближается к равновесному состоянию. Поэтому необходимо энергетическое или материальное обновление системы с целью восстановления требуемой неравновесности. К оборудованию такого типа можно отнести и установки для электровзрывной или магнитоимпульсной обработки. К началу процесса неравномерность обеспечивается энергией, накопленной в конденсаторе.
Неизолированные системы — самые распространенные, поскольку в них возможно управление протекающими процессами. В системах, интенсивно взаимодействующих с внешней средой, начальная неравновесность не имеет большого значения. Поэтому их относят к практически равновесным. Среди неизолированных систем особенно распространены те, которые потребляют из сети электрическую энергию, используемую после соответствующего преобразования для размерной или неразмерной обработки. Как известно, электрические величины наиболее просто измерять и ими легко управлять. Поэтому электромагнитные процессы предпочтительны для изменения в пространстве и времени потоков энергии. К неизолированным системам относятся очень многие станки и установки для электрофизических, электрохимических и комбинированных методов.
В неизолированных системах все величины, определяемые на поверхности раздела, называют внешними, например сила тока и напряжение источника питания, к которому подключен станок. Величины, измеряемые в самой системе,— внутренние. Например, в станке для электрохимической обработки внутренними величинами можно считать скорость подачи инструмента, расход электролита, его температуру, электропроводность, водородный показатель и др.
Система является стабилизированной, если значения всех внешних величин не изменяются во времени. Широко распространены и нестабилизованные системы. Значения внутренних величин во многих случаях со временем изменяются. Например, благодаря поглощению энергии нагреваются части оборудования или рабочая среда, изменяется химический состав рабочей среды, изнашивается инструмент и т. д. Это свойственно для электроэрози-онных, электрохимических, ультразвуковых станков.
Неизолированная система охвачена внешней обратной связью, если хотя бы одна внешняя величина зависит от любой внутренней. Обратную связь вводят для управления процессом, в частности, чтобы компенсировать изменением значений внешних величин изменения внутренних.
§ 6. Формообразование как процесс изменения состояний вещества
До начала обработки все вещество, предназначенное для формообразования, образует исходную заготовку, которая не всегда может быть только твердым телом. После окончания процесса должна быть получена деталь, в которой это вещество должно представлять твердое тело. Вещество, не вошедшее в деталь после завершения процесса,— это конечный остаток (КО), а вещество, не вошедшее в твердую часть исходной заготовки,— начальный остаток (НО). Деталь (Д) и твердая часть (ТЧ) исходной заготовки представляют вещество в связном твердом состоянии. Оба остатка (НО и КО) могут содержать вещество во всех выше перечисленных основных состояниях при /==1, ..., 5. Процессы формообразования делятся на шесть групп в зависимости от наличия или отсутствия НО или КО, а также твердой части.
1-я группа. Твердой части и конечного остатка нет, схема формообразования: НО->Д. Деталь образуется из всего начального остатка, как, например, при спекании порошков или литье в форму. Массы детали и исходной заготовки одинаковые.
2-я группа. Отсутствует твердая часть, процесс протекает по схеме НО-^-Д + КО. В данном случае вещество исходной заготовки не полностью расходуется на изготовление детали, как, например, при кристаллизации только части расплава.
3-я группа. Отсутствует конечный остаток, преобразование проходит по схеме НО + ТЧ~^Д. На твердую часть наращивается все вещество начального остатка. Массы исходной заготовки и детали одинаковые. Пример подобных процессов — диффузионная сварка.
, 4-я группа. Имеются все составляющие общей схемы формообразования: НО + ТЧ->Д + КО. В данном случае на твердую часть наращивается не все заготовленное для формообразования вещест-вр, как, например, происходит в катодном осаждении (гальванопластике).
5-я группа. Начальный остаток отсутствует, схема процесса: ТЧ->Д + КО. Все вещество исходной заготовки находится в состоя-
нии связного твердого тела. После формообразования возникает конечный остаток (стружка); объем детали меньше, чем твердой части, химический состав обоих тел одинаковый. Стружка может находиться в виде твердых частиц (при ультразвуковой обработке); в виде химических соединений вещества заготовки (при размерной электрохимической обработке) и т. д. Процессы этой группы самые распространенные, поскольку подбором исходной твердой заготовки очень просто решается задача достижения «объемных» физико-химических величин детали. Формообразование ведется удалением части вещества заготовки, т. е, избирательного уменьшения ее первоначального объема.
6-я группа. Начальный и конечный остатки отсутствуют: схема процесса: ТЧ->Д. К этой группе относится, например, магнитоимпульсная штамповка.
Итак, насчитывается четыре принципиальных вида формообразования: создание связного твердого тела (1-я и 2-я группы), наращивание (3-я и 4-я группы); удаление части твердого вещества (5-я группа); изменение формы твердого тела (6-я группа).
В 5-ю группу входят процессы удаления припуска: ЭЭО, ЭХО, ультразвуковая обработка и др. Эти процессы весьма разнообразны по принципам, технологическим показателям, применяемому оборудованию. Каждый из них может быть осуществлен различными приемами, с использованием разных кинематических схем, способов подвода энергии и т. д.
В электроэрозионном формообразовании используют действие электрических разрядов определенной длительности, возникающих между поверхностями заготовки и другого электрода. В основании канала разряда в поверхностном слое заготовки выделяется тепло- -та. Небольшая часть этого слоя расплавляется или испаряется, и в результате разряда здесь возникает лунка. Электроэрозионное формообразование, основанное на последовательном удалении материала небольшими порциями, относится к термическому методу. Формообразование осуществляется прерывисто в пространстве и времени. За время действия сравнительно большого числа разрядов можно принять, что поверхность заготовки благодаря возникновению множества лунок перемещается с некоторой средней скоростью и. Эта скорость зависит, в частности, от объема одной лунки и частоты следования разрядов. Объем лунки уменьшается при снижении длительности разряда и уменьшении его энергии. Возможна высокая степень локализации процесса. Принцип ЭЭО использован в различных процессах, отличающихся способами осуществления разрядов, движения электродов и т. д. Вследствие термического характера воздействий в поверхностном слое изменяют свойства исходного материала.
Электрохимическое формообразование основано на явлении анодного растворения заготовки. Атомы на поверхности заготовки в электрическом поле ионизируются и переводятся в рабочую среду в виде ионов, которые затем образуют соответствующие химические связи. Электрическое поле вызывает ток, направленный от поверх-178
ности заготовки в рабочую среду. Соответственно плотности тока поверхность заготовки смещается со скоростью и. В зависимости от характера подаваемого электрического поля формообразование может быть непрерывным или прерывистым во времени. Обработка прерывается сразу на всей поверхности заготовки. В рабочем состоянии скорость на всей обрабатываемой поверхности. Степень локализации ЭХО невысокая.
Ультразвуковое формообразование используют для размерной обработки хрупких материалов. Обрабатываемая поверхность заготовки граничит с рабочей средой, содержащей мелкие частицы абразива. Соответствующими электромагнитными устройствами (преобразователями) в среде возбуждаются ультразвуковые колебания, и абразивные частицы колеблются вместе со средой. В результате многочисленных ударов частиц происходит скалывание небольших участков поверхностного слоя заготовки. Этот принцип формообразования соответствует поверхностному механическому методу, реализуемому с помощью электромагнитных средств.
В лучевом формообразовании, относящемся к термическому методу, на небольшом участке поверхности заготовки сосредоточен поток первичной энергии высокой плотности. Для обработки используют, например, электромагнитную энергию лазера, либо кинетическую энергию электронов или ионов, приобретающих ее в ускоряющем электрическом поле. Благодаря соответствующим процессам в поверхностном слое заготовки первичная энергия преобразуется в теплоту. Это приводит к плавлению, испарению, выбросу вещества и возникновению углубления в зоне действия луча. Нередко лучевое формообразование проводится при импульсной подаче первичной энергии, как при лазерной обработке. Благодаря значительной пространственной концентрации энергии и малой продолжительности импульса достигается высокая степень локализации процесса. Материал в зоне обработки носит следы термического воздействия.
§ 7. Энергоемкость формообразования
Для изготовления детали необходима энергия:
1Г = 17о+1Г/ф, (Х.4)
где Го— затраты энергии до проведения обработки; W$— затраты энергии непосредственно при формообразовании. Начальные затраты IFo подсчитывают интегрированием плотности энергии по всему объему системы. Особенно велика энергия 1^0 в неравновесных системах. В установке для электрогидравлической штамповки, например, энергия Wo, которая впоследствии расходуется при электрическом разряде в жидкости, запасается перед обработкой в электрическом поле конденсатора.
Энергия определяется как интеграл от мощности всех взаимодействий системы с внешней средой в течение формообразова-
ния. В частности, если эта энергия потребляется только от источника питания, то
лф
1Г/ф=С Pdt, (Х.5)
где Тф — время формообразования; Р — мощность.
Для неизолированных равновесных и неравновесных систем отношение №0/1Гф может принимать различные значения. Например, энергоемкость литья определяется начальными затратами №4, а ЭЭО или ЭХО — энергией в течение процесса №ф.
При удалении припуска с незначительным изменением формы заготовки удельная энергоемкость (на единицу объема)
ev=W!LV3, (Х.6)
где ДУ3 — уменьшение объема заготовки.
Если можно пренебречь начальными затратами энергии, то
^=1Гф/ДИ3. (Х.7)
Затраты энергии И7ф включают в себя как полезные для формообразования составляющие, так и те, в которых нет принципиальной необходимости. Минимальная энергоемкость определяется теми затратами энергии, которые требуются только для перевода вещества в состояние «стружки».
Пусть материал заготовки удаляется в виде твердых частиц, т. е. механическим методом /=1 (см. § 4), как при ультразвуковой обработке. Полезной является только энергия, расходуемая на образование новой поверхности, т. е. на разрыв части связей атомов на этой поверхности. На разрыв всех связей атомов заготовки необходима энергия сублимации WG (испарения). Поэтому поверхностная энергия атомов пропорциональна энергии сублимации. Площадь новой поверхности частиц, на которые распадается удаляемое вещество, обратно пропорциональна их среднему размеру dCp-В итоге, удельная массовая энергоемкость при дроблении «стружки» на твердые частицы em = kW где k — постоянный коэффициент. Оценки показывают, что при dcp^l мкм для железа ет= = 10-3 кВт-ч/кг, т. е. удельная энергоемкость очень мала..
Пусть припуск удаляют термическим методом /=3 (см. § 4), например, как при ЭЭО. Часть вещества заготовки переводится в расплав. Минимальная энергоемкость такого процесса определяется теплотой, необходимой для нагрева единицы массы вещества до температуры плавления, и удельной теплотой плавления. Например, для железа минимальные энергозатраты составляют — 0,2 кВт-ч/кг. Если удаляемый материал переходит в парообразное состояние, то удельная энергоемкость равна энергии сублимации, например, для железа ет=1,7 кВт-ч/кг.
Когда припуск удаляют переводом вещества в ионную форму / = 4 (см. § 4), то энергозатраты повышаются, поскольку кроме испарения вещества необходима энергия для ионизации атомов. Для 180
железа минимальная энергоемкость увеличивается до е,п 5 кВi ч Хч/кг. При ЭЭО и лазерной обработке атомы заготовки частично ионизируются. Это чрезвычайно повышает энергоемкость процесса.
При химическом формообразовании удалением припуска / = 5 (см. § 4) энергия не затрачивается, так как процесс обычно ведется благодаря начальной химической неравновесности. При электрохимической обработке в водных растворах минимально необходимые энергозатраты определяются по химическому уравнению для начального и конечного состояний вещества заготовки. Например, ЭХО железа описывается суммарным уравнением Fe-J-2H2O->H2 + + Fe(OH)2, чему соответствует удельная энергоемкость ет~ — 0,02 кВт-ч/кг.
Таким образом, теоретически энергоемкость удаления припуска наименьшая при дроблении снятого материала на твердые частицы. В действительности дополнительно расходуется энергия на перегрев, деформацию стружки, ускорение ее частиц до больших скоростей и т. д. Особенно велики дополнительные затраты энергии при лучевых методах обработки. Часть энергии расходуется на ненужное нагревание самой детали или рабочей среды и т. д. В частности, при ЭЭО электрическая энергия затрачивается в конечном итоге не только на плавление, испарение и выброс материала из лунок. Во время обработки происходит нагрев и разложение рабочей среды. Вследствие образования газопаровых пузырей жидкость в узком промежутке движется с большой скоростью и нагревается при трении о поверхности электродов. При ЭХО мощность, необходимая для проведения собственно анодного растворения, невелика. Но на слое раствора электролита между электродами падает значительная часть напряжения источника питания. Этим объясняется то, что основная доля энергии расходуется на нагрев раствора, особенно если ЭХО ведется при высокой плотности тока и большом зазоре. Вследствие описанных явлений действительная энергоемкость процессов значительно превышает теоретические значения, составляя, например, для ЭЭО и ЭХО около 20 кВт-ч/кг.
§ 8. Управление формообразованием
Заготовка — это объект управления. Управление обработкой возможно только в неизолированной системе. Текущее состояние заготовки описывается совокупностью управляемых величин, характеризующих ее конфигурацию, шероховатость, физико-химические свойства ее поверхности и внутреннего объема. В конце формообразования эти величины должны стать такими, какие заданы для детали техническими условиями.
Качество любого процесса, в том числе и формообразования, оценивают двумя видами показателей — конечными и интегральными. Конечные показатели устанавливают соответствие детали предварительно заданным требованиям. Например, конечным показателем геометрической погрешности может служить совокупность расстояний между поверхностями «чертежа» и детали.
Если такой действительный показатель лежит в пределах допустимых отклонений, то деталь соответствует чертежу с установленной точностью. К конечным показателям относятся также шероховатость и величины, характеризующие состояние поверхностного слоя детали после ЭЭО или ЭХО. Конечные показатели не определяют характер протекания самого процесса. Одна и та же деталь на имеющемся оборудовании может быть получена при различных режимах обработки.
К самому процессу изготовления детали, удовлетворяющей всем конечным показателям, могут предъявляться различные требования. Например, задают наименьшую продолжительность обработки, минимальные затраты энергии, наиболее близкое следование программе развития управляемых величин и пр. Математически это означает, что должна быть минимальной величина, называемая интегральным показателем:
f /dr, (Х.8)
Q
где f — определенная функция управляемых и управляющих величин. В частности, когда необходима наименьшая продолжительность формообразования, то f=l, а когда наименьшие затраты энергии, то f=P, где Р — мгновенная потребляемая мощность.
Интегральные показатели определяются особенностями имеющегося оборудования. Например, если обработка ведется на уникальном, дорогостоящем станке, то целесообразно добиться наименьшей длительности процесса. Когда обработка характеризуется высокой энергоемкостью, то следует так управлять процессом, чтобы минимальной оказалась затраченная энергия. Для выбора кон- > кретного вида интегрального показателя необходимо соответствующее технико-экономическое обоснование.
Конечные показатели можно не принимать во внимание в начале процесса. Их следует учитывать по мере его завершения и окончательного формирования свойств детали. Для минимизации интегрального показателя требуется оптимальное управление процессом. Если управляющие величины зависят явно или неявно от времени, то управление можно сделать программным, а законы управления заранее ввести в соответствующие автоматические устройства.
Часто условия обработки изменяются, например, благодаря остаточным явлениям, связанным с предыдущим использованием данной установки. В подобных случаях, как, например при ЭЭО или ЭХО, может изнашиваться инструмент, нагреваться какие-либо части оборудования или рабочая среда, изменяться химический состав рабочей среды и пр. Предсказать эти изменения на практике трудно. Поэтому в таких условиях программное управление не позволяет получить минимальный интегральный показатель. По ходу процесса необходимо подбирать управляющие величины соответственно изменившимся условиям обработки. Такое оптимальное
управление может вести оператор, а в последнее время для этой пели разработаны адаптивные (с обратными связями) автоматические устройства, которые обеспечивают оптимальное управление и соответственно наименьший интегральный показатель при изменяющихся условиях обработки. Адаптивные устройства применяют при ЭЭО и ЭХО.
Частный случай управления — регулирование, т. е. поддержание в течение всего процесса постоянного значения какой-либо заранее выбранной величины. Такой способ управления не всегда обеспечивает наименьший интегральный показатель, однако благодаря простоте регулирование, например размера зазора, применяют при ЭХО. При этом, несмотря на изменения условий процесса, зазор в определенной части промежутка между электродами остается постоянным.
Управлению формообразованием свойственны некоторые особенности, не всегда проявляющиеся в таких классических объектах управления, как электромеханические, электрические, электронные. Помехи, действующие на систему извне, обычно малы. Заготовка — это объект управления с распределенными свойствами, поскольку ее конфигурацию невозможно описать единственной величиной. В связи со значительной интенсификацией процессов почти все системы нелинейные. Обычно формообразование необратимо, и знак скорости и на протяжении процесса не изменяется. Этим затрудняется внесение «поправок» при управлении съемом материала. Кроме зависимости от внешних величин скорость и зависит и от условий работы оборудования до рассматриваемого момента обработки, т. е. зависит от износа инструмента, свойств рабочей среды, или, образно говоря, предыстории процесса.
Система управления формообразованием очень часто незамкнутая, т. е. отсутствуют внешние обратные связи по управляемой величине, которая полностью никогда не контролируется. Крайне редко, а иногда и вовсе не используются измерители ряда физико-химических величин непосредственно в процессе обработки. Обычно система формообразования разомкнута по физико-химическим величинам заготовки. При формоизменении или удалении припуска «объемные» физико-химические свойства детали обеспечивают заранее подбором соответствующей заготовки. Поэтому в таком случае, в первую очередь при ЭЭО и ЭХО, управляемыми величинами остаются конфигурация и «поверхностные» свойства. Измерение всех параметров текущей конфигурации заготовки на практике очень сложно. В замкнутых системах формообразования, например при некоторых видах ЭХО, сигнал обратной связи поступает лишь с конечного числа поверхностных точек заготовки.
§ 9. Бесконтактное формообразование
Понятие инструмента, применяемое при рассмотрении процессов механической обработки, можно расширить и распространить на некоторые электрофизико-химические процессы. Инструмен
том следует называть поверхность, на которой поддерживаются некоторые величины физико-химической природы, в конечном итоге задающие скорости и на заготовке.
Инструментом, например, в электроэрозионной или электрохимической обработке служат электроды определенной конфигурации, на которые подается электрический потенциал относительно заготовки. По ряду причин во время формообразования поверх-н-ость инструмента может изменяться, например, в результате износа или преднамеренного управления его конфигурацией. Поэтому различают процессы с инструментом постоянной или переменной конфигурации рабочей поверхности.
Все процессы обработки делят на две категории: контакт-н ы е, если у инструмента и заготовки есть соприкасающиеся точки, как, например, при резании или штамповке; бесконтактные, если поверхности заготовки и инструмента разделены промежутком. Бесконтактное формообразование свойственно главным образом электрофизико-химическим процессам, в которых поверхность заготовки развивается без механического соприкосновения с другими телами. В промежутке переносятся потоки энергии и массы. Бесконтактное формообразование ведут как со съемом, так и с наращиванием материала заготовки. Особенно распространены процессы съема: электроэрозионная обработка, размерная электрохимическая, анодно-механическая и пр. Примерами процессов с наращиванием материала на исходную заготовку являются например гальванопластика или электроискровое легирование.
Простейшая модель бесконтактного процесса включает в себя заготовку, инструмент, промежуток, среду (иногда специально подобранного состава), заполняющую промежуток.
Между инструментом и заготовкой поддерживают градиент некоторой величины (потенциала, концентрации, температуры). Когда соответствующим устройством задается разность электрических потенциалов, то оба тела называют электродами, точнее электродом-инструментом и электродом-заготовкой.
Бесконтактное удаление припуска связано с рядом особенностей формообразования, которые следуют из анализа модели процесса. Благодаря наличию промежутка конфигурация обрабатываемой поверхности заготовки не совпадает с конфигурацией поверхности инструмента, вследствие чего возникает систематическая погрешность отображения формы инструмента на заготовке. В общем случае формообразование может протекать не только на заготовке, но и на профилированном инструменте. Чтобы сохранить конфигурацию инструмента, подбирают режимы, при которых скорость смещения точек на поверхности инструмента иИ была бы существенно меньше, чем на поверхности заготовки. Формообразование целесообразно, когда скорость съема и высокая. Для бесконтактного процесса такие условия создаются при узком промежутке. При удалении припуска необходимо вывести из промежутка «стружку», размеры которой не могут превышать расстояния между поверхностями инструмента и заготовки. Выведение продуктов обработки и из
быточной теплоты из промежутка обеспечивается движением рабочей среды. Это движение может быть принудительным, например при прокачке электролита при ЭХО, или естественным, сопровождающим процесс электроэрозионной обработки. Поскольку объем рабочей среды в станке конечен, то происходит постепенное ее нагревание, засорение продуктами обработки, изменение ее химического состава. Нестабильность свойств рабочей среды вызывает изменение условий формообразования и, как следствие, разброс размеров деталей в партии.
При чрезмерном сужении промежутка увеличиваются затраты энергии на движение рабочей среды или снижается скорость ее движения. Если скорость выведения продуктов обработки уменьшается, то падает производительность процесса. Это следует из условия, что за сравнительно большой отрезок времени масса материала, удаляемого с заготовки, должна равняться массе материала, выведенного из промежутка. Именно поэтому столь важно предусмотреть меры по отводу продуктов, особенно при высокой производительности процесса.
Инструмент и заготовки перемещаются относительно друг друга. Широко применяют инструменты с поступательным движением, например, для копировально-прошивочных операций электроэрозионной, электрохимической и ультразвуковой обработки. При шлифовании инструмент должен иметь вращательное движение.
Профильный инструмент при бесконтактном процессе обеспечивает формообразование сразу на всей обрабатываемой поверхности заготовки. В ней возникает, например, углубление, в известной мере повторяющее конфигурацию рабочей поверхности инструмента.
При бесконтактном формообразовании используют два вида профильного инструмента: некоррелированный с рабочей поверхностью такой же, как у детали, применяемый при узком промежутке; погрешность обработки меньше расстояний между поверхностями инструмента и заготовки; корректированный, подобранный так, что заранее учитывается наличие промежутка определенной конфигурации.
Для ряда операций применяют непрофилированный инструмент, например, в виде проволоки. Поверхность заготовки образуется последовательной обработкой при соответствующем обходе ее участков инструментом. С помощью прямой проволоки можно получить детали с линейчатой поверхностью.
Возможны два типа обрабатываемой поверхности заготовки: неустановившаяся поверхность в системе координат, жестко связанной с инструментом, изменяется во времени; установившаяся поверхность описывается уравнением, которое в указанной системе от времени не зависит. На практике на обрабатываемой поверхности обычно есть как установившийся, так и неустановившийся участки. Если конфигурация инструмента
постоянная, то при установившейся поверхности заготовки сохраняется промежуток неизменной конфигурации, характерной для ЭХО.
С геометрической точки зрения различают три вида промежутка: 1) параллельный, образованный двумя плоскими параллельными рабочими поверхностями инструмента и заготовки; 2) квазипарал-лельный, ограниченный неплоскими поверхностями обоих электродов, но локально параллельными друг другу; 3) сложной формы, когда наикратчайшее расстояние между обеими поверхностями сравнимо или даже больше местного радиуса кривизны поверхностей. Вид промежутка устанавливают по отношению наикратчайшего расстояния между электродами к радиусу кривизны их поверхностей. Если это отношение мало, то промежуток можно считать параллельным или квазипараллельным. Такие промежутки возникают при использовании крупных инструментов с плавной поверхностью, например для обработки штампов. При большом отношении межэлектродного расстояния к радиусу кривизны форму промежутка считают сложной. Такие промежутки возникают, если на поверхности инструмента есть острые ребра, вершины и пр. Промежуток сложной формы характерен для процессов прошивания отверстий небольшого диаметра. В зависимости от вида промежутка проводят расчет поверхности корректированного инструмента.
Понятие местного зазора s — наикратчайшего расстояния от некоторой точки на поверхности одного из тел до поверхности другого— существует только для параллельного и квазипараллельного промежутков. Зазор отсчитывают в направлении местных нормалей к поверхностям. В параллельном промежутке в любой момент времени зазор всюду одинаков; в квазипараллельном промежутке зазор на разных участках инструмента различен.
Различают процессы с равномерными и неравномерными свойствами рабочей среды в промежутке. Неравномерность свойств увеличивается с ростом отношения P/Q, где Р — средняя суммарная мощность энергии, вводимой в промежуток,Q — объемная скорость обновления рабочей среды. При прокачке рабочей среды Q означает ее расход.
В бесконтактных процессах производительность обработки, как правило, растет с увеличением скорости поступления энергии в промежуток, разумееется, при условии отвода продуктов обработки и избыточной теплоты.
При разных способах обработки в промежуток вводятся различные формы энергии: электрическая энергия (при ЭХО и ЭЭО); механическая энергия мощностью Ги^и+7и—^и, где FMHUn— соответственно усилие и поступательная подача инструмента, Ги и пи — соответственно вращающий момент и частота его вращения (при шлифовании); энергия ультразвуковых колебаний; механическая энергия pQ прокачиваемой рабочей среды, где р — перепад давлений, Q — расход и т. д. При удалении припуска энергия необходима для
перевода материала в состояние «стружки» и отвода ее из зоны обработки. Выводится энергия из промежутка в основном в виде теплоты благодаря движению нагреваемой рабочей среды.
§ 10. Обобщенное описание бесконтактного формоообразования
Скорость смещения и на поверхности заготовки определяется группой величин, описывающих физико-химические свойства инструмента заготовки и рабочей среды, текущую конфигурацию промежутка, т. е. положение поверхностей инструмента и заготовки, движение рабочей среды в промежутке, разность потенциалов на электродах. Обработка заготовки с заранее подобранными рабочей средой и материалом инструмента характеризуется определенным режимом, т. е. рядом текущих величин, задающих движение электродов, свойства рабочей среды, ее движение в промежутке и напряжение.
Управляемой величиной служит конфигурация заготовки, а практически — размер зазора для какой-либо точки на поверхности инструмента. Текущие значения зазора определяют прямым измерением или косвенными методами. Управляющими величинами служат напряжение, скорость перемещения электродов и параметры движения рабочей среды в промежутке. Нестабильность условий обработки в основном вызывается изменениями свойств рабочей среды и в некоторых случаях — конфигурации поверхности инструмента или размера промежутка.
Поверхность детали возникает на заготовке в конце процесса, и конечные показатели предопределяют режим только на завершающей стадии. Чем «дальше» от конца процесса, тем слабее влияние на режим обработки конечных показателей. При мысленном движении к началу формообразования наступает такой момент, что это влияние вообще исчезает. До этого момента управление процессом необходимо вести только по интегральному показателю. На основании вышеизложенного процесс делят на три стадии: 1) предварительную, когда, управляя формообразованием, добиваются только минимального интегрального показателя; 2) промежуточную, когда наряду с интегральными необходимо учитывать и конечные показатели; 3) заключительную, на протяжении которой требуется достичь заданных конечных показателей. Не всегда формообразование содержит все три стадии. Например, если требуется удалить небольшой припуск, то весь процесс ведут как заключительную стадию. Но в большинстве случаев условия заключительной стадии нецелесообразно распространять на весь процесс.
Наиболее простой, но редко встречающийся случай — формообразование в стабилизированном режиме. Для такого процесса можно применить предварительно найденное оптимальное управление, например по временной программе. При смене материала заготовки, инструмента, состава рабочей среды или конфигурации инструмента изменяют программу. Такое управление, однако, невозможно, если в процессе обработки изменяются такие свойства рабочей
среды, которые довольно трудно стабилизировать, например, температура раствора электролита массой несколько тонн.
На практике распространены системы регулирования, т. е. поддержания постоянной конфигурации промежутка в какой-либо его области. Эти системы не обеспечивают оптимального протекания процесса не столько из-за изменений свойств рабочей среды, сколько вследствие необходимости различного управления на всех стадиях формообразования.
Оператор при ручном оптимальном управлении может подбором режима добиться наилучших показателей, которые допускаются условиями обработки. Если требуется, например, наименьшее время формообразования, то оператор по приборам устанавливает управляющие величины, обеспечивающие наибольшую в данных условиях подачу инструмента. На заключительной стадии оператор управляет процессом так, чтобы достичь заданных конечных показателей. Эти мероприятия в некоторых случаях автоматически выполняют адаптивные системы оптимального управления.
Независимо от физико-химического механизма процесса можно дать обобщенное описание бесконтактного формообразования. Если стабилизировать условия обработки, то для небольшого участка параллельного промежутка местные средние скорости съема материала на заготовке и инструменте зависят только от размера зазора $:
«=«(«); «„=«„($).
Вид функций u(s) и Uh(s) зависит от материалов инструмента и заготовки, свойств рабочей среды и т. д. Если все переменные величины, характеризующие нестабилизированный режим, обозначить через 61, ..., &п, то выражение скоростей можно представить так:
u—u(s, Ьъ..., bn)\ (Х.9)
ua=u.w(s, Ь1г...,Ьп). (Х.10)
Отношение кпз=ип1и описывает местное относительное изменение поверхности инструмента, т. е. его относительный линейный износ. В частности, для размерной электрохимической обработки на постоянном напряжении АИз=0; для электроэрозионной обработки значение Айз изменяется в широких пределах в зависимости от режима.
Обычно функции u(s) и Wh(s) теоретически не рассчитывают, но их можно определить экспериментально. Общим свойством этих функций является уменьшение их значений с увеличением зазора s. Конкретный вид функций u(s) зависит от механизма процесса. Например, для ЭЭО при определенном зазоре скорость съема резко падает, а при дальнейшем увеличении зазора скорость съема и = 0, т. е. обработка прекращается. Очень разнообразны функции u(s) для ЭХО. Если раствор активирующий, например хлорид натрия по отношению к стали, то с ростом зазора скорость съема и стремится к некоторому постоянному значению. Такой процесс не обеспечи-188
вает локальности обработки. Для пассивирующих растворов скорость съема и практически равна нулю, если зазор достигает определенного значения. В таких условиях зависимость u(s) имеет такой же вид, как и при ЭЭО. На вид функции w(s) влияют все величины, описывающие режим обработки рабочей среды.
В число переменных fti, ..., Ьп в выражениях (Х.9) и (Х.10) не входят величины, описывающие неизменяющиеся свойства инструмента и заготовки, а также состав рабочей среды. Одна группа величин bi описывает электрический режим, т. е. напряжение на электродах. Если оно постоянно, как при ЭХО, то электрический режим характеризуется одной постоянной величиной U. Если напряжение периодически изменяется, то режим описывается напряжением постоянной составляющей, амплитудами, частотами и фазами всех гармоник. Если напряжение импульсное, как при ЭЭО или импульсной ЭХО, то в число величин bi входят максимальное значение импульса, период Т и длительность импульса ти, скважность q^TIxn.
Местные свойства рабочей среды представляются другой группой величин bi, включающих температуру, содержание компонентов, электропроводность раствора и т. д. Выбор того или иного свойства определяется конкретным физико-химическим механизмом формообразования. Свойства среды в промежутке, заключенном между противолежащими участками поверхностей инструмента и заготовки, вообще говоря, всегда неравномерные. Их определенным образом усредняют по местному зазору. Величины bi второй группы неявно зависят от режима течения рабочей среды в промежутке, т. е. от давления прокачки, расхода и концентрации электролита.
Среди величин bi имеются как управляющие, так и нестабильные. К управляющим относятся те, которые определяют электрический режим, а к нестабильным, — которые описывают свойства рабочей среды. Каждый участок квазипараллельного промежутка можно в первом приближении рассматривать как параллельный. Скорость и задается функцией u(s, b), где s и b — местные значения зазора и величин, характеризующих режим.
В зависимости от механизма обработки, режима, способов подведения рабочей среды существует большое разнообразие бесконтактных процессов. Их можно классифицировать по особенностям функций u(s, b), одинаково применимым для любого случая. Прежде всего бесконтактные процессы можно разделить на две группы с равномерными и неравномерными условиями на различных участках промежутка. Неравномерность может быть вызвана изменением электрических величин и/или свойств рабочей среды. Различают также процессы: с одинаковым напряжением между любой парой точек на поверхности электродов и с неравномерно распределенными потенциалами. В первом случае величины bi не зависят от положения точек измерения и одинаковы для всего промежутка. Такой режим довольно распространен в условиях ЭЭО и ЭХО, если материалы инструмента и заготовки характеризуются высокой электропроводностью, размеры
электродов невелики, а плотность тока низкая. Во втором случае величины Ь{ зависят от координат противолежащих точек инструмента и заготовки, т. е. от места измерения напряжения в промежутке, например при ЭХО длинных заготовок из материалов с невысокой электропроводностью. Чтобы устранить неравномерность электрического режима, необходима соответствующая система то-коподвода к электродам.
Возможны еще два типа процессов: с равномерными средними свойствами рабочей среды по всему промежутку, когда величины bi не изменяются по длине промежутка, ис неравномерными свойствами, когда в данный момент величины bi зависят от места их измерения. Первый тип характерен для обработки с высокой скоростью обновления рабочей среды в промежутке и небольшой мощности процесса. Например, при ЭХО для реализации этого режима необходимо увеличить расход раствора. Для второго типа степень неравномерности растет с увеличением отношения P/Q (см. § 9). При прокачке значения величин bi для среды на входе в промежуток совпадают с теми, которые имеет рабочая среда в баке. На выходе из промежутка значения bi в наибольшей степени отличаются от входных. В частности, при ЭХО на выходе у раствора самая высокая температура и содержание примесей в. виде продуктов обработки и т. д. Формообразование с неравномерными свойствами по длине промежутка характеризуется рядом особенностей.
Кроме этого, различают стабилизированный режим обработки, когда все величины bi (и зазоры $) не зависят от времени, а также нестабилизированный режим, когда хотя бы одна из величин bi и местный зазор s изменяются во времени.
Таким образом, бесконтактное формообразование может проводится при функции u(s, &): равномерной стабилизированной; равномерной по координатам, но не стабилизированной по времени; неравномерной стабилизированной; неравномерной нестабилизи-рованной. Вид функции u(s, b) предопределяет многие показатели процесса, в том числе точность и производительность. Таким образом, показатели процесса определяются физико-химическим механизмом обработки через функцию u(s, b).
§ 11. Точность бесконтактного формообразования
Обычно заключительную стадию обработки проводят в установившемся режиме. Поэтому анализ точности формообразования необходим именно для случая, когда конфигурация заготовки не изменяется во времени. Если возникла установившаяся поверхность заготовки, то местная скорость съема и должна удовлетворять определенным соотношениям. Их называют условиями установившегося формообразования.
Эти условия сначала были получены для простейшей кинематической схемы, когда заготовка неподвижна, а инструмент постоянной конфигурации (Ни=0) движется поступательно со скоростью
Направление скорости г?и принимают за положительное направление оси z в системе координат, связанной с заготовкой и инструментом. Движение инструмента направлено в положительную сторону оси z. Двум моментам времени t и i + соответствуют два положения инструмента, передвинутого вдоль оси z на расстояние /и = УиЛ^ и два положения поверхности заготовки. Чтобы поверхность заготовки не изменялась в системе координат, связанной с инструментом, требуется, чтобы эта поверхность как единое целое перемещалась бы со скоростью движения инструмента ии. Смещение поверхностных точек заготовки вдоль оси z должно быть для всего промежутка одинаковым и равным Но за это же время смещение участка поверхности по местной нормали составит Д0 = иДЛ Проекция этого смещения на ось z равна uAZ/cosy, где у — угол между местной внутренней нормалью к поверхности заготовки и положительным направлением оси z\ cosy — местный направляющий косинус. Так как в системе координат, связанной с инструментом, поверхность заготовки не должна изменяться, то VnAt=u^t/cos у, или условие установившегося режима инструмента постоянной конфигурации можно представить так:
u(s, 6)=^Hcosy. (X.ll)
Это выражение применимо для ЭХО и ЭЭО в безызносном режиме, когда конфигурация инструмента сохраняется постоянной.
Установившийся режим возникает в том случае, когда обе части условия (Х.11) не зависят от времени, т. е. при стабилизированных условиях обработки. При этом скорость подачи и величины bi не должны изменяться во времени. Возможно и такое управление процессом, что при изменении, например, свойств среды напряжение и подача изменяются так, что по-прежнему выполняется условие (Х.11). Не при всех режимах может возникнуть установившаяся поверхность заготовки. Например, вследствие нестабильности свойств рабочей среды или управления процессом изменяются скорости съема и. Конфигурация заготовки в этом случае не остается постоянной во времени.
Анализ условия (Х.11) позволяет выявить общие свойства промежутка в установившемся режиме. Для проведения такого анализа достаточно знать вид функции w(s, b). Именно свойствами этой функции, а не конкретным механизмом обработки определяются геометрические особенности промежутка. В общем случае зазор при квазипараллельном промежутке зависит от угла у, что определяет характер связи u(s) между скоростью съема и зазором. Поверхности инструмента и заготовки не эквидистантные. На поверхности заготовки существуют так называемые экстремальные точки, в которых cos у = 1. Зазор sT для этих точек иногда называют торцовым, поскольку здесь участок поверхности заготовки ортогонален направлению подачи инструмента. В экстремальной точке скорость съема равна скорости подачи инструмента:
(Х.12)
где sT — местный зазор (обычно наименьший для всего промежутка). Часть промежутка, где cosy очень мал, называют боковой. Здесь скорость съема и невелика. Поверхность заготовки здесь примерно параллельна направлению подачи, зазор обычно наибольший. Именно в этой части промежутка возникает наибольшая разница конфигураций инструмента и заготовки. Это в равной степени справедливо для ЭЭО и ЭХО. Особенно велик боковой зазор при ЭХО в активирующем растворе, поскольку примерно постоянной скорости съема и может соответствовать зазор, изменяющийся в широких пределах. В пассивирующем благодаря указанным особенностям функции u(s) при ЭЭО и ЭХО растворе боковой зазор в первом приближении можно принять постоянным.
По условию (Х.11) каждому значению cosy соответствует местная скорость съема и и зазор s. Таким образом, задается конфигурация промежутка, определяющая несоответствие между поверхностями инструмента и заготовки. Если известны зазоры в различных частях промежутка, то можно либо найти поверхность заготовки при заданной форме инструмента, либо по поверхности детали определить конфигурацию корректированного инструмента. Для решения таких задач независимо от физико-химического механизма обработки необходимо знать скорость подачи конфигурацию одного из электродов и функцию u(s), свойственную данному процессу.
Условие (Х.11) не справедливо, если на поступательно движущемся инструменте, как при электроэрозионной или ультразвуковой обработке с износом инструмента, также происходит формообразование. При этом условие установившегося режима оказывается более сложным, поскольку необходимо одновременно учесть скорости смещения точек как на поверхности заготовки, так и на поверхности инструмента. Несмотря на то что ии=#0, конфигурация рабочей поверхности инструмента может сохраниться постоянной^ если процесс характеризуется определенной функцией нп($). В экстремальной точке участок поверхности инструмента смещается в положительном направлении оси z со скоростью wH(sT). Чтобы конфигурация рабочей поверхности инструмента сохранялась неизменной, необходимо, чтобы все ее точки за малый отрезок времени смещались бы на одно и то же расстояние /и=^и(5т)ДЛ В действительности каждая точка поверхности инструмента смещается по местной нормали на расстояние /и=Ни($)Д^, зависящее от местного зазора. Из этих соображений следует условие сохранения неизменной конфигурации рабочей поверхности инструмента ни($)Д/ = = ии($т)Д/cos у, или
и ($)=#и (sT) cos у. (ХЛЗ)
При этом поверхность инструмента неподвижна относительна системы координат, перемещающейся вдоль оси z со скоростью —ии($т). Чтобы в этой же системе возникла установившаяся поверхность заготовки, необходимо выполнить условие:
«(5)=[t„-«h(st)]cosy. (Х.14>
Значение cosy однозначно связано с местным зазором. Из условий (Х.12) и (Х.14) постоянства конфигураций инструмента и заготовки следует, что направляющий косинус
cos Т=«и (s)+« (s)/K — Ии ($)]=«„ («)/«„ ($т).
Одному и тому же направляющему косинусу соответствуют два выражения, справедливые для инструмента и заготовки. Чтобы этими выражениями для произвольного зазора s задавалось одно и то же значение направляющего косинуса, необходимо, чтобы для данного режима
(s)+^ ($)/яиг($)== 1 + ^(s)/zzH(s)=const.
Иными словами, конфигурация заготовки может быть установившейся, если относительный линейный износ Аиз (см. § 10) постоянный, т. е. когда kll3 = Un(s)/u(s) =const.
Общее условие установившегося режима с протеканием формообразования на инструменте:
«(s, £)(1-M„3)=K— «и(*г. £)]cosy. (Х.15)
При выполнении этого условия, несмотря на износ инструмента^ сохраняются постоянные конфигурации обоих электродов. Геометрически формообразование этого вида сводится к поступательным перемещениям поверхности инструмента и заготовки соответственно против и в направлении подачи.
Когда износа нет или он пренебрежимо мал, т. е. ^из<^1> «и(5т)<«, то формула (Х.15) принимает вид выражения (Х.11).
Если инструмент или заготовка совершают еще и вращательные движения, то условия установившегося режима не совпадают с условиями (Х.11) или (Х.15). Если предположить, что для процесса известна функция w(s), то можно получить общие соотношения для оценки точности бесконтактного формообразования.
Наличие промежутка приводит к погрешности бесконтактного отображения их конфигураций. Для поступательно движущегося инструмента с неизменной поверхностью (&Из=0) эту погрешность можно представить следующим образом. Пусть в функции u(s) не содержится постоянной составляющей. Тогда существует однозначная зависимость зазора от местной скорости съема: s = s(w) = = s(yHcosy). Этой зависимостью при заданной скорости подачи и по условию (Х.11) определяется конфигурация промежутка, ограниченного поверхностями инструмента и заготовки. Поверхностные точки заготовки отстоят от противолежащих точек инструмента на расстояния s, отсчитываемые в направлении местных нормалей. Экстремальные точки обеих поверхностей смещены в направлении подачи на расстояние, равное торцовому зазору sT = s(vH).
Чтобы сравнить конфигурации заготовки и инструмента, их надо переместить в положение нгилучшего совпадения. Заготовку перемещают вдоль оси z к инструменту на расстояние $т = $(уи) так, чтобы совпали экстремальные точки обоих тел.
Для произвольной граничной точки заготовки расстояние до поверхности инструмента уменьшится на s(t?H)cosy. Между поверхностями инструмента и переменной заготовки местное расстояние д/=$ (^и cos Y) — 5 (^и) cos у=s (и) — s (^и) (й/^и), (X. 16)
где аи— скорость подачи инструмента. Выражением (Х.16) определяются отклонения функций w(s), не содержащих постоянной составляющей. Из анализа формулы следует, что при равномерной функции u(s) бесконтактное формообразование всегда характеризуется систематической погрешностью отображения конфигурации инструмента на заготовке. Не существует таких равномерных функций u(s), при которых поверхности электродов полностью совпадали бы при совмещении их экстремальных точек. Математически это означает, что в установившемся режиме при равномерной функции u(s) всегда Л/#=0 для всей поверхности инструмента.
Если функция u(s) неравномерная, то теоретически возможен такой режим, когда после смещения заготовки на расстояние sT, т. е. при совмещении экстремальных точек заготовки и инструмента, их поверхности полностью совпадают. В этом случае на всей поверхности инструмента отклонение размеров Д/=0. Погрешность отображения инструмента на заготовке в этом режиме сводится к погрешности расположения их поверхностей. Эта погрешность устраняется при приближении поверхности заготовки к инструменту на расстояние, равное торцовому зазору sT.
Из соотношения (Х.16) следует, что необходимая для этого неравномерная функция u(s) должна быть такой, чтобы sju — =5(г?и)/^и. Это условие означает существование прямой пропорциональности зазора и скорости съема: s—ku, где 6 = const для данного процесса. Промежуток, возникающий в данном случае, характеризуется рядом особенностей. Торцовый зазор меньше бокового. Зависимость зазора от направляющего косинуса следующая: s = = kVu cos у.
§ 12. Повышение показателей качества бесконтактного формообразования
Чтобы увеличить точность обработки процесса, применяют два способа. Первый способ заключается в уменьшении систематической погрешности отображения конфигурации инструмента на заготовке. Технически это реализуется уменьшением зазоров, особенно в боковой части промежутка. Применяют некоррелированный инструмент с такой же поверхностью, как у детали. С этой целью для ЭХО подбирают пассивирующий раствор, уменьшают напряжение между электродами и скорость подачи инструмента, применяют импульсный режим. ЭЭО ведут при низком напряжении холостого хода и небольшой энергии импульса.
Если конфигурация инструмента такая же, какая установлена для детали, т. е. инструмент некорректированный, то расстояния Л/ характеризуют окончательную погрешность обработки. В данном 194
случае поверхность заготовки по существу сравнивается с «чертежом», поэтому расстояние Л/ равно отклонению ДО размеров детали и «чертежа», взятых по нормали. *
В стабилизированном режиме заключительной стадии отклонение поверхностей ДО — функция только местного направляющего косинуса. Наибольшее отклонение возникает в боковой части промежутка, где, согласно условию (Х.11), скорость съема и невелика,, а зазор s большой. Деталь может быть изготовлена с заданной точностью, если для всего промежутка отклонения Д0 не больше допустимого.
При нестабильных условиях заключительной стадии изменяется функция s(u, b) = s(yHcosy, b), возникает разброс поверхностей детали относительно некоторого номинального положения. При медленно изменяющихся величинах, т. е. в квазиустановившемся режиме отклонения размеров по нормалям,
д9 = $(^и, 6) cos у — s(^Hcosy, b). (Х.17)
где г?п и b — изменяющиеся или управляющие величины.
При изготовлении партии деталей разброс размеров детали относительно инструмента
89=5(^.нcosy, #н) —sC^cosy, £) + [s(4i, b) — s(vu.„, />н)]cosy,
(Х.18)
где s(vH.Hcos y, &н) — зависимость зазора от скорости съема для не-которого номинального режима заключительной стадии, т. е. при номинальных скорости инструмента уи.н и величинах 6Н; s^ncosy, b) — зависимость зазора от скорости съема для режима, отличающегося от номинального и ведущегося при скорости подачи инструмента Vh и величинах Ь. Разброс размеров определяется изменением скорости подачи и величин b и, кроме этого, зависит от местного направляющего косинуса на поверхности инструмента.
При небольшой нестабильности скорости подачи vu и величин b разброс определяется при разложении правой части соотношения (Х.18) в степенной ряд. Разложение ведется по приращениям величин, отсчитываемых от их номинальных значений. Разброс размеров можно выразить через коэффициенты передачи процесса, т. е. через первые производные функции зазора s (и, Ь) по скорости съема и по величинам 6. Коэффициенты передачи dsldu, dsldb\, ...> dsfdbn представляют отношения приращения зазора к изменениям местной скорости съема или величин 6Ь ..., bn- Особенностью бесконтактного процесса (особенно ЭХО) является значительная зависимость коэффициентов передачи ds Ida, ds/db^ ..., dsldbn от скорости съема, т. е. от того местного значения cosy, для которого определяют эти коэффициенты. При изменении одной из величин 61, ..., Ьп приращения зазора оказываются разными, например, для торцовой и боковой частей промежутка. Зная коэффициенты передачи по всем изменяющимся и управляющим величинам, можно* определить допустимую нестабильность и пределы управления процессом обработки. Очевидно, что управление на заключительной
стадии должно быть таким, чтобы отклонения размеров Д9 не вьь ходили за допустимые пределы, а шероховатость и свойства поверхностного слоя с заданной точностью совпадали бы с установленными.
Обработку некоррелированным инструментом применяют при ЭЭО, так как в ходе этого процесса на имеющемся оборудовании обычно можно в широких пределах изменять зазоры, например управляя напряжением холостого хода. При ЭХО некоррелированные инструменты используют в том случае, когда удается уменьшить зазоры до приемлемых значений. Этот способ пригоден также при ЭХО деталей, у которых направляющий косинус относительно велик и боковая часть промежутка практически отсутствует. Формообразование при узком промежутке характеризуется низкой производительностью. Поэтому предварительную стадию ведут в режиме, обеспечивающем высокую скорость подачи инструмента. Переход к режиму заключительной стадии (при малых зазорах) занимает всю промежуточную стадию. Существует оптимальный закон перевода всех величин от предварительной к заключительной стадии. Этот закон зависит от установленного интегрального показателя и свойств функции w(s, b).
Второй способ повышения точности обработки — геометрическая компенсация систематической погрешности отображения конфигурации инструмента на заготовке. С этой целью применяют корректированный инструмент, поверхность которого рассчитана для определенного номинального режима, т. е. для определенной функции з = $(уи.нС05у, 6Н), где Уи.н и Ьн — величины, установленные для заключительной стадии обработки.
Чтобы учесть наличие промежутка, поверхностные точки инструмента относительно «чертежа» детали должны быть передвинуты на расстояние, равное корректирующему смещению. Это расстояние подсчитывают по условию установившегося режима и функции s(u, b):
A^oP^sX.hCOSY, Ья)— cosy. (Х.19)
Корректирующее смещение, как видно из формулы, зависит от местного направляющего косинуса на поверхности детали.
Если сохраняются номинальные условия обработки, то теоретически процесс обеспечивает идеальную точность. Но при изменении режима возникает отклонение поверхности заготовки от заданной «чертежом»:
A9=s(dhcosy, b)— s(•»„.„cosy, Ья) — cosy + s(4.)cosy. (X.20)
Если эти отклонения меньше допустимых, то возникающая погреш-ность лежит в пределах допусков. Соотношением (Х.20) устанавливаются также допустимые пределы изменения как нестабильных, так и управляющих величин. Управление на заключительной стадии ограничивается условием, чтобы на всей поверхности заготовки, т. е. при любом направляющем косинусе, отклонения размеров А0 не превышали допустимых. Такое условие должно выполняться од-
повременно с ограничениями, обеспечивающими получение установленной шероховатости и свойств поверхностного слоя. Если отклонения величин bi, ..., bn от номинальных невелики, то по коэффициентам передачи ds/du, dsjdbi, dsfdbn можно определить отклонения размеров детали от «чертежа».
На заключительной стадии процесса можно применять регулирование, т. е. компенсацию нестабильности изменением управляющих величин. Закон регулирования вытекает из равенства 5(®„C0SY, b)—ScosY, 6И) —«(»„)COSY+s(^H.B)c°SY=о, (Х.21)
которое должно быть справедливым для всего промежутка, т. е. для направляющего косинуса, изменяющегося на поверхности заготовки в заданных пределах. Только при этом условии можно сохранить неизменной всю конфигурацию промежутка, а не зазор для одной точки. Идеально точное регулирование возможно только при некоторых определенных видах функции u(s, b).
Обработку корректированным инструментом применяют в том случае, когда зазоры невозможно уменьшить до значений, обеспечивающих установленную точность обработки. Очень часто такие инструменты применяют при ЭХО. При смене материала любого из электродов и состава рабочей среды необходим инструмент с заново рассчитанной поверхностью.
Точность решения всех указанных задач определяется погрешностью описания процесса функциями u(s, b). Теоретический расчет зависимости u(s, b) не дает удовлетворительных результатов как при ЭЭО, так и при ЭХО.
Например, для ЭХО можно получить теоретическую зависимость u(s, b), если предположить справедливость законов Ома и Фарадея. Тогда для такого идеального процесса ЭХО
и = —уа+ ?к) хЯе
sp
где U — напряжение на электродах; фа и фк — соответственно анодный и катодный потенциалы; х — удельная проводимость раствора; s — зазор; А — выход по тог<у; 8 и р — соответственно электрохимический эквивалент и плотность заготовки. Согласно такой функции, при постоянных <ра, Фк и А скорость съема и обратно пропорциональна зазору s. На практике процесс ЭХО лишь весьма приблизительно описывается такой функцией, особенно в пассивирующих растворах, где при определенном зазоре скорость ц = 0. Поэтому зависимости u(s, b) следует определять экспериментально.
ЗАКЛЮЧЕНИЕ
Рассмотренные во втором томе методы обработки можно разделить на три группы.
1. Лучевые методы и плазменная обработка, при которых заготовка изменяет геометрические размеры за счет нагрева и плавления ее материала. Заготовка может быть выполнена из металлов и диэлектриков, прозрачных и непрозрачных. Теоретически любая заготовка может быть обработана такими методами, но на практике эффективное их использование ограничено определенными формой поверхности, размерами и материалом. Обработка лучом выгодна при изготовлении отверстий, щелей небольшого сечения, а плазменный метод нагрева заготовок при точении наиболее рентабелен для крупных деталей. Эффективность применения лучевых методов тем выше, чем хуже обрабатываемость материала заготовки традиционными способами.
2. Методы, при которых материал практически не нагревается, а энергия импульса расходуется на быструю объемную деформацию заготовки. К ним относятся штамповка энергией электрического разряда и магнчтоимпульсное формообразование. Хотя возникающая в процессе разряда ударная волна способна деформировать твердые тела из любых материалов, практически метод получил распространение для объемной штамповки только металлических деталей. При этом за счет высоких скоростей течения металла удается достичь значительного увеличения деформации заготовки за переход, а в ряде случаев заменить несколько переходов одним. Это упрощает оснастку, сокращает количество оборудования и цикл изготовления деталей.
При использовании высококонцентрированных источников энергии фасонный инструмент в его традиционном понимании отсутствует. Его роль выполняет поток энергии, воздействующий на заготовку.
Здесь теряют смысл такие понятия, как износ инструмента, подача на сближение инструмента с заготовкой и др. Однако сам процесс управления потоком энергии достаточно сложен, требует большого количества автоматических устройств, что удорожает оборудование и повышает требования к квалификации операторов.
Рассматриваемые методы пока ограниченно используются в машиностроении* их технологические возможности раскрыты не до конца. Однако даже те операции, которые успешно выполняются лучевым и другими методами, дают основание считать, что расширение их применения в промышленности раскрывает перед технологами и конструкторами широкие возможности создания современной совершенной техники, отвечающей уровню передового машиностроения.
3. Методы, являющиеся комбинацией электрических и механических способов обработки. Сочетая лучшие черты тех и других, они позволяют с высокой производительностью изготовлять детали, имеющие высокую точность формы и размеров, низкую шероховатость поверхности.
Все рассмотренные во втором томе методы позволяют полностью автоматизировать процесс обработки, снизить до минимума число обслуживающего персонала, повысить культуру труда.
Несмотря на то что применение электрофизических и электрохимических методов обработки в промышленности еще не получило широкого распространения, накопленный многими предприятиями опыт показывает, что они имеют широкую перспективу. Гарантией этого служит быстрое развитие средств электроники и автоматики, создание новых высокопрочных материалов, повышение требований к качеству изготовляемых деталей.
ВОПРОСЫ ДЛЯ САМОПРОВЕРКИ
К части I. «Электроэрозионная обработка металлов»
L Что такое электроэрозионная обработка? 2. Кто был основоположником метода? 3. Какие технологические схемы электроэрозионной обработки применяются в промышленности? Чем они характеризуются? 4. Какие физические явления происходят на электродах при ЭЭО? 5. Перечислите стадии протекания процесса. 6. В какой момент происходит основной выброс металла из лунки? 7. От чего зависят производительность процесса и качество поверхности? 8. Какой ток используется при ЭЭО? Какую полярность имеет деталь? 9. Что такое ток короткого замыкания? Для чего его рассчитывают? 10. Какие диапазоны напряжения и силы тока используют при ЭЭО? 11. Какая форма импульсов может использоваться при ЭЭО? Какой критерий положен в основу выбора формы импульса? 12. Какие тепловые процессы происходят на поверхности электродов? Как они влияют на качество поверхности? 13. Какие особенности должны быть учтены при обработке заготовок в воздушной среде? 14. Какова методика расчета производительности процесса? 15. Какое влияние на производительность процесса оказывает площадь обрабатываемой поверхности и глубина внедрения электрода-инструмента в заготовку? Какие известны способы интенсификации процесса обработки глубоких отверстий? 16. Как влияет рабочая среда на производительность процесса? Какие среды используют при ЭЭО? 17. Что такое многоконтурная и многоэлектродная обработка? 18. Что влияет на точность изготовления деталей? 19. Назовите пути снижения влияния износа электрода-инструмента на точность обработки. 20. Что влияет на размеры шероховатости поверхности после ЭЭО? 21. Как влияет качество поверхности после ЭЭО на эксплуатационные характеристики деталей? 22. Какие исходные данные должен иметь технолог перед началом проектирования процесса? 23. Назовите порядок проектирования технологического процесса ЭЭО. 24. В какой последовательности рассчитывают режим ЭЭО? 25. Что следует учитывать при проектировании электрода-инструмента? 26. Какова последовательность расчета профиля рабочей части электрода-инструмента (на примере получения углубления)? 27. Назовите основные особенности проектирования и изготовления копиров для станков с непрофилированным электродом. 28. Какие виды генераторов импульсов применяют при ЭЭО? 29. Какие регуляторы движения прдачи используют в электро-эрозионных станках? 30. Из чего состоит гидравлическая система электроэрози-онного станка? 31. Какие существуют виды электроэрозионных станков? 32. Расскажите план построения технологического процесса электроэрозионного прошивания отверстий. 33. Назовите особенности формообразования наружных поверхностей методом обратного копирования. 34. Расскажите план построения технологического процесса изготовления вырубных штампов непрофилированным электродом. 35. Какие особенности необходимо учитывать при разработке технологического процесса электроэрозионного упрочнения деталей?
К части II. «Размерная электрохимическая обработка»
1. Кто является создателем метода? 2. Какие технологические схемы используются при электрохимической обработке деталей? 3. Какие классические законы используют при описании процесса ЭХО? 4. Какие химические реакции протекают на электроде-инструменте и заготовке в процессе ЭХО? 5. Как следует выби-
рать электролит? 6. Как определяют необходимую скорость прокачки электролита? 7. Как выбрать напряжение на электродах? 8. Какова последовательность построения технологического процесса? 9. Назовите основные технологические показатели процесса ЭХО и их взаимосвязь. 10. Как рассчитать форму рабочей части электрода-инструмента при прошивании полостей сложной формы? 11. Какие материалы используются для изготовления рабочей части электрода-инструмента? 12. Назовите основные узлы станков для ЭХО. 13. Как правильно подобрать источник питания станка? 14. Как рассчитать напор насоса? 15. Как выбрать агрегат для очистки электролита от продуктов обработки? 16. В чем особенность станков для электрохимического протягивания внутренних поверхностей? 17. Какие варианты размещения оборудования для ЭХО используют на заводах? 18. Какие требования техники безопасности предъявляют к работающим на электрохимических станках? 19. В какой последовательности выполняют технологический процесс ЭХО лопаток энергетических машин?
К части III. «Ультразвуковая обработка материалов»
1. Назовите основные схемы ультразвуковой механической обработки. 2. Какие существуют типы ультразвуковых волн? 3. Перечислите основные характеристики ультразвукового поля. 4. Опишите механизм разрушения материала при ультразвуковой размерной обработке свободным абразивом. 5. Какие технологические параметры влияют на ультразвуковую размерную обработку свободным абразивом? 6. Назовите основные технологические показатели ультразвуковой размерной обработки свободным абразивом. 7. Как можно повысить производительность процесса ультразвуковой размерной обработки свободным абразивом? 8. Перечислите основные преимущества ультразвуковой алмазной обработки. 9. Для каких материалов целесообразно применение ультразвуковой размерной обработки? 10. Как влияют ультразвуковые колебания на упрочняюще-чистовую обработку? 11. Каковы области использования различных технологических схем ультразвуковой механической обработки? 12. Из каких элементов состоит ультразвуковая колебательная система? 13. Какие материалы применяются для изготовления ультразвуковых преобразователей и инструментов? 14. Какова последовательность расчета продольно колеблющегося инструмента? 15. Чем ограничена максимальная амплитуда колебаний концентратора и рабочего инструмента? 16. Назовите основные узлы ультразвуковых станков. 17. Назовите области применения навесных акустических головок. 18. Как влияет смена абразивной суспензии на производительность процесса размерной обработки? 19. Перечислите основные технологические параметры, влияющие на производительность ультразвуковой алмазной обработки.
К части IV. «Электроннолучевая обработка материалов»
1. Каковы основные этапы формирования электронного луча? 2. Какие требования предъявляются к катодам электронных пушек? 3. Каким образом происходит ускорение электронов в электронных пушках? 4. В чем состоят основные особенности управления концентрацией энергии при электроннолучевой обработке? 5. Каким образом можно управлять положением электронного луча в пространстве? 6. Какова роль вакуума в электроннолучевой технологии? 7. В чем особенности взаимодействия электронного луча с веществом? 8. Назовите основные элементы оборудования для электроннолучевой обработки. 9. Для каких целей используется электроннолучевой нагрев поверхности? 10. В каких областях применяют электроннолучевую плавку? 11. В чем основные преимущества электроннолучевой сварки? 12. Где наиболее целесообразно применение электроннолучевого испарения? 13. Назовите основные преимущества и недостатки размерной электроннолучевой обработки. 14. Какие основные мероприятия по технике безопасности необходимо соблюдать в процессах электроннолучевой технологии?
К части V. «Светолучевая обработка материалов»
1. В чем состоят основные достоинства и недостатки полихроматического света как источника энергии для технологических целей? 2. Какие основные 200
физические принципы положены в основу работы ОКГ? 3. Как получают когерентное излучение с помощью ОКГ? 4. Какие вещества используются в лазерах для генерации излучения? 5. Каковы основные характеристики когерентного излучения и как ими управлять? 6. Как осуществляется накачка энергией в твердотельных, газовых и полупроводниковых ОКГ? 7. Как производится вывод излучения из ОКГ? 8. В чем состоят особенности управления излучением ОКГ по мощности и пространственному положению луча? 9. Как осуществляется фокусирование излучения лазера в зависимости от длины волны? 10. Каковы основные особенности взаимодействия светового излучения с веществом? Сравните характер этого взаимодействия с электронным лучом. 11. Где наиболее целесообразно технологическое применение лазерного излучения? 12. Назовите основные достоинства и недостатки обработки материалов с помощью излучения ОКГ. 13. Каковы основные направления резки хрупких материалов с помощью лазерного излучения? 14. Каковы сравнительные характеристики использования излучения ОКГ и электронного луча для технологических целей? 15. Какие мероприятия по технике безопасности необходимо соблюдать при использовании ОКГ для обработки материалов?
К части VI. «Плазменная обработка»
1. Что такое плазма? 2. Чем отличается плазменная дуга от свободно горящей электрической дуги? 3. Каковы основные физические характеристики плазмы? 4. Что такое температура плазмы и каков ее физический смысл? 5. Каковы основные физико-химические эффекты при взаимодействии плазмы с веществом? €. Каковы основные технологические возможности плазменных источников энергии? 7. Из каких основных элементов состоит плазменная установка; в чем их особенности? 8. Какой эффект дает плазменная обработка при упрочнении поверхности? 9. В чем сущность процессов плазменной резки и строжки? 10. Какие основные требования техники безопасности необходимо соблюдать при плазменной обработке материалов? 11. В каких случаях целесообразно применять плазменный подогрев при обработке металлов резанием? 12. Как повысить стойкость металлорежущего инструмента с помощью плазменной обработки? 13. Для каких изделий применяют плазменное формование поверхностей? 14. В каких случаях целесообразно применение плазменной строжки? 15. Какова рациональная область применения плазменной резки металлов?
К части VII. «Электровзрывная обработка»
1. Назовите две основные разновидности электровзрывного формообразования. 2. Опишите принцип электрогидравлического формообразования при электрическом разряде в жидкости. 3. В чем принцип электрогидравлического формообразования? 4. Опишите принцип нанесения покрытий электрическим взрывом проводников. 5. Начертите основные технологические схемы электрогидравлического формообразования. 6. Объясните принцип электрогидравлической штамповки и укажите особенности данной операции. 7. Объясните механизм электрогидравлической очистки заготовок и особенности данной операции. 8. В чем принцип электрогидравлической запрессовки элементов и каковы особенности данной операции. 9. Опишите процесс электрогидравлического дробления материалов и особенности данной операции. 10. Начертите схему генератора импульсных токов для электровзрывной обработки и поясните его работу. 11. Опишите конструктивные особенности разрядников. 12. Каковы основные принципы построения установок для электрогидравлической обработки? 13. Укажите порядок параметров процесса электрогидравлической штамповки. 14. Укажите порядок расчета параметров процесса электрогидравлической запрессовки труб. 15. Объясните особенности организации типовых участков для электрогидравлической обработки. 16. Перечислите основные правила техники безопасности при работе на электрогидравлических установках.
К части VIII. «Магнитоимпульсное формообразование»
1. Объясните принцип действия установок для магнитоимпульсного формообразования индукционным и электродинамическим способами. 2. Почему нельзя
применить магнитоимпульсное формообразование для обработки заготовок малого диаметра? 3. Можно ли непосредственно использовать магнитоимпульсное формообразование для изготовления деталей из неэлектропроводных материалов? 4. Почему деформация заготовки возможна лишь при определенном значении разрядного тока? 5. Как следует выбирать напряжение разряда конденсатора в зависимости от толщины листовой заготовки? 6. Почему невозможно магнитоимпульсное формообразование очень тонких заготовок? 7. Опишите типичные схемы магнитоимпульсного формообразования. 8. В каких случаях применяют возбудители с плоской рабочей поверхностью? 9. Каковы признаки технологичности детали. 10. Почему нельзя беспредельно сокращать время зарядки конденсатора с целью повышения производительности установки? 11. Назовите основные узлы установки для магнитоимпульсного формообразования. 12. Для какой цели служат насадки к возбудителю? 13. Что такое возбудители постоянного и одноразового действия? 14. Перечислите основные этапы проектирования технологического процесса.
К части IX. «Комбинированные методы обработки*
1. Что такое комбинированные методы обработки? 2. Что такое электро-абразивная обработка? 3. Опишите способ электроабразивного шлифования электронейтральным инструментом. 4. Какие факторы влияют на съем металла при использовании свободного абразива или наполнителя? 5. В чем сущность электроэрозионно-химической обработки? 6. Какое влияние на технологические показатели процесса ультразвуковой обработки оказывает анодное растворение металла? 7. Расскажите о совместном использовании электрохимической и лучевой обработки. Как влияет световой луч на процесс электрохимической обработки? 8. Расскажите о взаимном влиянии абразивной и электрохимической обработки; как при этом изменяются производительность, точность процесса и качество обработанной поверхности? 9. Какие технологические показатели имеет электроэрозионно-химическая обработка по сравнению с ЭЭО и ЭХО? 10. В какой последовательности рассчитывают режимы комбинированной обработки? 11. Какие инструменты используют для электроалмазной обработки? Опишите их конструкцию. 12. Как изменяется износ инструмента при комбинированной обработке по сравнению с другими методами? 13. Расскажите об особенностях конструкции анодно-механических станков. 14. Какие особенности следует учитывать при проектировании электроэрозионно-химических станков?
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
К части I
Основная
Золотых Б. Н., Мелъдер Р. Р. Физические основы электроэрозионной обработки. М., 1977.
Размерная электрическая обработка металлов/Артамонов Б. А., Вишниц-кий А.,Л., Волков Ю. С. и др. М., 1978.
Фатеев Н. К. Технология электроэрозионной обработки. М., 1980.
Электроимпульсная обработка металлов/Лившиц А. Л., Кравец А. Т., Рогачев И. С, и др. М., 1967.
Дополнительная
Витлин В. Б., Давыдов Д. С. Электрофизические методы обработки в металлургическом производстве. М., 1979.
Лазаренко Б. Р, Перспективы развития электрофизических и электрохимических методов обработки. М.» 1977.
Смоленцев В. П. Изготовление инструмента непрофилированным электродом. М., 1977.
Электрофизические методы обработки материалов/Ж^равскмй Д. К., Галиева Р. И., Гепштейн В. С. и др. Уфа, 1977.
Электроэрозионная и электрохимическая обработка./Лмвишц Д. Л., Кравец А. Т., Мороз И, И. и др. М., 1980.
К части II
Основная
Размерная электрическая обработка металлов/Артамонов Б. А., Вишниц-ций Д. Л., Волков Ю. С. и др. М., 1978.
Седыкин Ф. В. Размерная электрохимическая обработка деталей машин. М., 1976.
Электрохимическая обработка металлов/ТИороз И. И., Алексеев Г. А., Водя-ницкий О. А. и др. М.» 1969.
Дополнительная
Де Барр Д. К., Оливер Д. А. Электрохимическая обработка. Пер. с англ. М., 1973.
Митяшкин Д. 3. Теоретические основы формообразования при электрохимической обработке. М., 1976.
Оборудование для размерной электрохимической обработки деталей машин/ Под ред. Ф. В. Седыкина. М., 1980.
Основы повышения точности электрохимического формообразования//7ет-ров Ю. Н., Корчагин Г. Н., Зайдман Г. Н. и др. Кишинев, 1977.
Смоленцев В. П. Технология электрохимической обработки внутренних поверхностей. М., 1978.
Электрохимическая размерная обработка деталей сложной формы/Голова-чев В. А., Петров Б. И„ Филимошин В. Г. и др. М., 1969.
Электроэрозионная и электрохимическая обработка.[Лившиц А. Л., Кравец А. Т., Мороз И. И. и др. М., 1980.
К части III
Основная
Марков А. И, Ультразвуковая обработка материалов. М., 1980.
Ультразвук. Маленькая энциклопедия. М., 1979.
Дополнительная
Бергман Л. Ультразвук и его применение в науке и технике. Пер. с нем. М., 1957.
Волосатое В. А. Работа на ультразвуковых установках. Л., 1979.
Горелик Г. С. Колебания и волны. М., 1959.
Марков А. И. Ультразвуковое резанье труднообрабатываемых материалов. М., 1968.
Мощные ультразвуковые поля/Под ред. Л. Д. Розенберга. М., 1968.
Применение ультразвука в промышленности/Под ред. А. И. Маркова. М. — София, 1975.
Савельев И. В. Курс общей физики, т. 2. М., 1979.
Ультразвуковая технология/Под ред. Б. А. Аграната. М., 1974.
Физические основы ультразвуковой технологии/Под ред. Л. Д. Розенберга. М, 1970.
К части IV
Основная
Башенко В. В. Электроннолучевые установки. Л., 1972.
Чвертко А. И., Назаренко О. К., Святский А. М. и др. Оборудование для электроннолучевой сварки. Киев, 1973.
Шиллер 3., Гайзиг У., Панцер 3. Электроннолучевая технология. Пер. с нем. М., 1980.
Дополнительная
Николаев Г. А., Ольшанский Н. А. Специальные методы сварки. М., 1975.
Рыкалин Н. Н., Зуев И. В., Углов А. А. Основы электроннолучевой обработки материалов. М., 1978.
Шерстнев Л. Г. Электроннолучевые приборы. М. — Л., 1966.
К части V
Основная
Квантовая электроника. Маленькая энциклопедия. М., 1969.
Крылов К. И., Прокопенко В. Т., Митрофанов А. С. Применение лазеров в машиностроении и приборостроении. Л., 1978.
Михайлов-Тепляков В. А., Богданов М. П. Автоматизированная лазерная резка материалов. Л., 1976.
Дополнительная
Летохов В. С., Устинов Н. Д. Мощные лазеры и их применение. М., 1980.
Мачулка Г. А. Лазерная обработка стекла. М., 1979.
К части VI
Основная
Арцимович Л. А. Элементарная физика плазмы. М., 1966.
Донской А. В., Клубникин В. С. Электроплазменные процессы и установки в машиностроении. Л., 1979.
Теоретические основы сварки/Под ред. В. В. Фролова. М., 1970.
Дополнительная
Быховский Д. Г. Плазменная резка. Л., 1972.
Жуков М. Ф., Смоляков В. Д., Урюков Б. А. Электродуговые нагреватели газа (плазмотроны). М., 1973.
Костиков В. И., Шестерик Ю. А. Плазменные покрытия. М., 1978.
Краснов А. Н., Шаривкер С. Ю., Зильберберг В. Г. Низкотемпературная плазма в металлургии. М., 1970.
К части VII
Основная
Оборудование и технологические процессы с использованием электрогидравлического эффекта/Под ред. Г. А. Г у лого. М., 1977.
Юткин Л. А. Электрогидравлическая обработка металлов. — В кн. Электро-разрядная обработка материалов. Л., 1971.
Дополнительна я
Мазуровский Б. Я. Электрогидроимпульсная запрессовка труб в трубных решетках теплообменных аппаратов. К., 1980.
Попилов Л. Я. Справочник по электрическим и ультразвуковым методам обработки материалов. Л., 1971.
Степанов В. Г., Шавров И. А. Высокоэнергетические импульсные методы обработки металлов. Л., 1975.
К части VIII
Основная
Белый И. В., Фертик С. Н., Хименко Л. Т. Справочник по магнитоимпульсной обработке металлов. Харьков. 1977.
Степанов В. Г., Шавров И. А. Электроэнергетические импульсные методы обработки металлов. Л., 1975.
Дополнительная
Новое в электрофизической и электрохимической обработке металлов/Под ред. Л. Я. Попилова. Л., 1972.
Общая электротехника/Под ред. А. Т. Блажкина. М., 1979.
Попилов Л. Я. Справочник по электрическим и ультразвуковым методам обработки материалов. Л., 1971.
К части IX
Основная
Коваленко В. С. Электрофизические и электрохимические методы обработки материалов. К., 1975.
Размерная электрическая обработка металлов/Артамонов Б. А., Вииишц-кий А. Л., Волков Ю. С. и др. М., 1978.
Дополнительная
Гостев В. В. Алмазно-электрохимическое шлифование твердых сплавов Харьков, 1974.
Гуревич Р. А. Алмазно-электролитическое сверление отверстий в твердых: сплавах. Киев, 1977.
Захарченко И. П., Савченко Ю. Я. Алмазно-электролитическая обработка инструмента. Киев, 1977.
Электрохимическая и электромеханическая обработка металлов/Под ред. Л. Я. Попилова. Л.. 1971.
ОГЛАВЛЕНИЕ
Часть IV. Электроннолучевая обработка материалов
Введение................................................................ 3
Глава 1. Физические основы электроннолучевой обработки.................. 6
§ 1.1. Получение свободных электронов.............................. 6
§ 1.2. Ускорение электронов........................................ 6
§ 1.3. Управление электронным лучом................................ 8
§ 1.4. Вакуум как необходимый фактор электроннолучевой технологии 8
§ 1.5. Взаимодействие электронного луча с веществом................. 9
Глава 2. Основные технологические процессы электроннолучевой обработки 12
§ 2.1. Особенности электронного луча как источника энергии......... 12
§ 2.2. Локальный переплав.......................................... 13
§ 2.3. Электроннолучевая плавка.................................... 13
§ 2.4. Электроннолучевая сварка.................................... 16
§ 2.5. Электроннолучевое испарение материалов ..................... 19
§ 2.6. Размерная обработка электронным лучом....................... 21
§ 2.7. Термообработка............................................ 24
Глава 3. Оборудование для электроннолучевой обработки.................. 24
§ 3.1. Общие требования............................................ 24
§ 3.2. Электромеханический комплекс ............................... 24
§ 3.3. Энергетический комплекс..................................... 28
§ 3.4. Техника безопасности при электроннолучевой обработке..... 32
Часть V. Светолучевая обработка материалов
Введение............................................................... 34
Глава 1. Физические основы получения и применения светолучевых источников энергии...................................................... • . 36
§ 1.1. Полихроматический свет и его использование для технологических целей........................................................ 36
§ 1.2. Когерентное излучение......................................: 38
§ 1.3. Получение когерентного излучения............................ 39
§ 1.4. Основные схемы ОКГ.......................................... 40
§ 1.5. Управление излучением ОКГ................................... 47
§ 1.6. Взаимодействие излучения ОКГ с веществом.................... 49
Глава 2. Технология светолучевой обработки материалов.................. 51
§ 2.1. Технологические особенности излучения ОКГ................... 51
§ 2.2. Ограничение использования лазерной технологии .............. 52
§ 2.3. Нагрев...................................................... 52
§ 2.4. Плавление................................................... 54
§ 2.5. Резка и размерная обработка................................. 56
Глава 3. Оборудование для обработки материалов с помощью ОКГ ... 61
§ 3.1. ОКГ на твердом теле......................................... 61
§ 3.2. Газовые ОКГ................................................. 64
§ 3.3. Техника безопасности при технологическом применении ОКГ . . 67
Часть VI. Плазменная обработка
Введение............................................................... 69
Глава 1. Основные физические характеристики и свойства плазмы....... 71
§ 1.1. Степень ионизации плазмы.................................... 71
§ 1.2. Квазинейтральность.......................................... 71
^13 I vm игра i ypn пл л im ы...................................... 72
§ 1.4. .’>nhuibiiihi плазмы........................................ 74
I ,Г>. Bn 11.1 плазменных источников энергии..................... 75
§ I В ХаринlepiieTHKH плазменного источника....................... 76
Глава 2. Технология плазменной обработки............................. 78-
§ 2.1. Пламенный нагрев............................................ 78
§ 2.2. Плавление вещества.......................................... 78
§ 2.3. Сварка и наплавка........................................... 79
§ 2.4. Напыление................................................... 80
§ 2.5. Резка....................................................... 83
Глава 3. Оборудование для плазменной обработки материалов ............. 80
§ 3.1. Общие требования............................................ 80
§ 3.2. Системы электропитания...................................... 87
§ 3.3. Системы газопитания и охлаждения....................... 89
§ 3.4. Техника безопасности........................................ 89
Часть VII. Электровзрывная обработка
Введение............................................................... 91
Глава 1. Физика процесса............................................... 93
§ 1.1. Формообразование под действием электрического разряда в жидкости........................................................... 93
§ 1.2. Формообразование при электрическом взрыве проводников . . 100
§ 1.3. Нанесение покрытий электрическим взрывом проводника .... 102
Глава 2. Технология электровзрывной обработки.......................... 103
§ 2.1. Штамповка................................................... ЮЗ
§ 2.2. Очистка изделий............................................ 105
§ 2.3. Получение неразъемных соединений........................... 107
§ 2.4. Дробление материалов....................................... 109
§ 2.5. Изменение свойств поверхности............................... НО
Глава 3. Оборудование................................................ 111
§ 3.1. Электрическая часть установок............................. Ill
§ 3.2. Конструктивные особенности установок для различных видов электровзрывной обработки........................................ И 4
§ 3.3. Перспективы разработки электрогидравлических установок ... 115
§ 3.4. Техника безопасности....................................... 115
§ 3.5. Организация типовых участков.............................. 117
Глава 4. Расчеты режимов электровзрывной обработки для типовых процессов ....................................................... 118
§ 4.1. Технологичность детали..................................... 118
§ 4.2. Штамповка фасонных деталей.............................. 119
§ 4.3. Запрессовка трубы в трубной решетке........................ 120
Часть VIII. Магнитоимпульсное формообразование
Введение............................................................ 121
Глава 1. Физика процесса............................................ 122
§ 1.1. Разновидности магнитоимпульсного формообразования....... 122
§ 1.2. Процессы в разрядной цепи................................ 126
§ 1.3. Электромагнитные процессы в заготовке.................... 128
§ 1.4. Электромагнитные силы.................................... 130
§ 1.5. Деформация заготовки..................................... 132
I лава 2. Основные сведения о технологическом процессе................ 134
§ 2.1. Схемы типичных операций магнитоимпульсного формообразования ............................................................. 134
§ 2.2. Технологические показатели................................. 135
§ 2.3. Особенности магнитоимпульсного формообразования............ 136
§ 2.4. Проектирование технологического процесса................... 138
§ 2.5. Методика разработки технологического процесса изготовления
типовых деталей............................................. 138
Глава 3. Оборудование................................................. 139
§ 3.1. Общие положения............................................ 139
§ 3.2. Генераторы разрядного тока................................. 139
§ 3.3. Возбудители................................................ 140
§ 3.4. Техника безопасности....................................... 143
Часть IX. Комбинированные методы обработки
Введение.............................................................. 145
Глава 1. Краткие сведения о методах................................... 149
§ 1.1, Анодно-абразивная обработка................................ 149
§ 1.2. Электроэрозионно-химическая обработка...................... 151
§ 1.3. Наложение на электрод-инструмент ультразвуковых колебаний 152
§ 1.4. Воздействие лучевой энергии................................ 152
Глава 2. Технологические показатели................................... 153
§ 2.1. Точность обработки......................................... 153
§ 2.2. Качество поверхности....................................... 154
§ 2.3. Производительность......................................... 155
Глава 3. Проектирование технологических процессов.................. 156
§ 3.1. Технологические возможности................................ 156
§ 3.2. Режимы обработки........................................... 158
Глава 4. Особенности проектирования и расчета инструментов............ 160
§ 4.1. Конструкция................................................ 160
§ 4.2. Износ и профилирование..................................... 161
Глава 5. Оборудование................................................ 162
§ 5.1. Анодно-абразивные станки................................... 162
§ 5.2. Станки для электроэрозионно-химической обработки и обработки с наложением ультразвуковых колебаний...................... 165
§ 5.3. Особенности техники безопасности........................... 165
Часть X. Некоторые вопросы общей теории электрофизических и электрохимических методов обработки
§ 1. Свойства деталей...................................... 166
§ 2. Развитие конфигурации заготовки в процессе формообразования 168
§ 3. Классификация процессов............................... 170
§ 4. Общие свойства методов формообразования............... 173
§ 5. Общие свойства оборудования для обработки материалов .... 175
§ 6. Формообразование как процесс изменения состояний вещества 177
§ 7. Энергоемкость формообразования.............................. 179
§ 8. Управление формообразованием................................ 181
•§ 9. Бесконтактное формообразование ............................. 183
§ 10. Обобщенное описание бесконтактного формообразования .... 187
§ И. Точность бесконтактного формообразования..................... 190
§ 12. Повышение показателей качества бесконтактного формообразования ...................................................... 194
Заключение............................................................ 198
Вопросы для самопроверки.............................................. 199
Список литературы.................................................... 203
ВЫСШЕЕ ОБРАЗОВАНИЕ
Электрофизические и электрохимические методы обработки материалов