Лучевые методы обработки

Синтетические каучуки (СК) — высокополимерный каучукоподобный материал; условно они делятся на каучуки общего и специального назначения. К каучукам общего назначения относят бутадиеновый (СКБ), бута- диенстирольный (СКС), изопреновый (СКИ) и некоторые другие, а к каучукам специального назначения — бутадиеннитрильный (СКН), хлоропреновый, бутилкаучук, силиконовый, фторкаучук и др.

Процесс производства синтетического каучука состоит из двух основных стадий получение мономера и получение полимера. Сырьем для производства каучуков является этиловый спирт, на смену которому приходит нефтехимическое сырье — этилен, пропилен, бутилен, бензол, а также ацетилен, бутан, пентан, изобутан, получаемые из газообразного топлива. При переводе промышленности СК на нефтегазовое сырье производительность труда повышается в 4 раза, а себестоимость СК в 2 — 3 раза ниже, чем на спирте, получаемом из пищевого сырья.

Первым советским синтетическим  каучуком был бутадиеновый (СКБ). Не отличаясь высоким качеством, этот вид каучука имеет малое значение.

Ведущую роль в мировом  производстве СК играют бутадиенстирольный (СКС) и бутадиеннитрильный (СКН) каучуки.

На основе СКС изготовляют  изделия шинной и резинотехнической промышленности. Этот каучук отличается большой прочностью, эластичностью, технологичностью, повышенной теплостойкостью, устойчивостью к действию света и кислорода. Каучуки СКН характеризуются высокой бензо- и маслостойкостью, стойкостью к воздействию растворителей и агрессивных сред, имеют повышенную теплостойкость и применяются для изготовления резинотехнических изделий, шлангов, прокладок, уплотнителей и т. д.

Изопреновые каучуки (СКИ), отличаясь высокой эластичностью, прочностью, износостойкостью, с успехом заменяют натуральный каучук (НК).

Большое значение в современном  народном хозяйстве имеет хлоропреновый  каучук. Этот каучук обладает отличными эксплуатационными характеристиками: эластичен, высокопрочен, износоустойчив, особо стоек к химическим средам, растворителям, негорюч. Недостатком является его низкая морозостойкость. Он широко применяется в производстве резинотехнических и специальных изделий, для защиты аппаратуры от коррозии.

Недостатком всех вышеперечисленных  синтетических каучуков является невысокая термостойкость (до + 200 °С), некоторая газопроницаемость.

Для специальных технических  целей (в судо- и авиастроении, в кабельной промышленности, для камер ракетного топлива, для защиты аппаратуры от агрессивных химических сред при высокой температуре) применяются ценные виды каучуков — силоксановые, тиоколы и фтор- каучуки. Отличаясь уникальными свойствами (термостойкостью до + 400...500°С), но будучи достаточно дороги, они применяются очень ограниченно.

Превращение каучуков в резину и получение резиновых изделий подразделяется на три стадии: приготовление сырой резиновой смеси, заготовительно-сборочные операции, вулканизацию изделий и их отделку. Резиновые смеси изготовляют путем смешивания каучуков с ингредиентами: наполнителями, ускорителями пластикации, пластификаторами, вулканизаторами, ускорителями вулканизации, противостарителями, красителями и т. д.

Количество каучука и  ингредиентов колеблется в зависимости от назначения резинового изделия. В качестве наполнителей широко применяют сажу, активированный мел, каолин, оксид цинка; вулканизаторов — серу и ее соединения; пластификаторов — мазут, гудрон, смазочные масла, канифоль, смолы. Приготовление резиновой смеси проводится в закрытых резиносмесителях и на каландрах (или валках). Ответственной операцией является вулканизация. В процессе вулканизации при температуре + 130...160°С и давлении 18-20 МПа сера химически присоединяется к молекулам каучука, «сшивая» их в трехмерную структуру, образуя резину.

 

3.Лучевые методы обработки (лазерная, электронно-лучевая), область применения, технико-экономические показатели

Постоянно растущие требования к качеству, надежности и долговечности изделий вызывают необходимость применения для изготовления соответствующих деталей современных конструкционных материалов, обладающих высокой прочностью, жаростойкостью, жаропрочностью, коррозийной стойкостью и др. Традиционные методы обработки деталей из этих материалов связаны с определенными проблемами, так как многие материалы относят к труднообрабатываемым. Поэтому на предприятиях используют физико-химические методы обработки (рис. 3.1).

К преимуществам этих методов  по сравнению с процессами резания относят:

-копирование формы инструмента сложной формы по всей поверхности при простом поступательном движении;

-режимы обработки практически не зависят от твердости и вязкости материала;

-возможность выполнения уникальных операций (обработка отверстий спиральной формы или криволинейных, глубоких канавок и др.);

-малые значения сил, действующих в процессе обработки, и отсутствие механического контакта при некоторых методах обработки, что позволяет обрабатывать нежесткие конструкции;

-используется инструмент менее твердый и менее прочный, чем обрабатываемый материал;

-Высокая производительность обработки при сравнительно высокой точности обработки;

-возможность автоматизации и механизации процессов обработки, а также многостаночного обслуживания.

Недостатком физико-химических методов  обработки является повышенная по сравнению  с процессами резания энергоемкость. Их использование целесообразно  в случаях, когда применение процессов  резания малоэффективно. Особенно эффективно применение физико- химических методов при изготовлении таких изделий, как штампы, пресс-формы, турбинные лопатки, фасонный твердосплавный инструмент электронная аппаратура и т. п. Технико-экономический эффект применения повышается в случаях обработки поверхностей сложной конфигурации и деталей из более труднообрабатываемых материалов.

Рис.2 Классификация электрофизических и

                                электрохимических методов обработки

 

3.1 Электронно-лучевая обработка

Этот метод основан на превращении  кинетической энергии направленного пучка электронов в тепловую, выделяющуюся при столкновении пучка с обрабатываемым материалом. Высокая плотность энергии сфокусированного электронного луча позволяет обрабатывать заготовки за счет нагрева, расплавления и испарения металла с узколокального участка.

Следует отметить, что на пути к  поверхности первичные электроны могут терять энергию и рассеиваться при столкновениях с частицами окружающей среды. При давлении остаточных газов, равном 1 Па, на каждом метре пути электрон испытывает в среднем до 100 соударений. Поэтому давление в вакуумной установке необходимо поддерживать на уровне 10^-2-10^-4 Па и ниже, это обеспечивает рассеяние не более 1% электронов.

Обработка ведется в специальной  установке, которая состоит:

-из электронной пушки, формирующей мощный электронный луч;

-вакуумной камеры, где производится обработка детали (4); в камере имеется устройство точной установки и перемещения детали;

-вакуумной насосной системы, создающей вакуум порядка 1,33 • 10^-2 Па;

-контрольной системы, управляющей электронным лучом и его траекторией;

-импульсного источника энергии;

-приборов для контроля и наблюдения за ходом процесса.

Режимы обработки электронным лучом определяются:

-силой тока в луче;

 величиной ускоряющего напряжения;

плотностью энергии в фокальном пятне;

длительностью, и частотой импульсов;

скоростью перемещения детали относительно луча.

Особенностью электронно-лучевого нагрева является то, что можно достигнуть очень высокой концентрации тепловой энергии при сравнительно малой общей мощности пучка.

Имеющиеся экспериментальные и теоретические данные показывают, что максимум поглощаемой мощности находится на оси пучка, но не на поверхности мишени, а под поверхностью, причем его относительное положение мало меняется при возрастании энергии.

Все основные операции электронно-лучевой  обработки можно условно разбить на три группы:

1.плавление (операции локального переплава, плавка в вакууме);

2.испарение (испарение в вакууме, размерная электроннолучевая обработка);

3.термообработка без изменения состояния вещества.

 Рис.3 Схема установки для электронно-лучевой обработки:

1 - катод; 2 - система центрирования; 3 - вакуумная камера; 4 - заготовка; 5 - линза для фокусировки; 6 - магнитная линза; 7 - оптическая система для наблюдения; 8 - анод

Электронно-лучевая плавка, или плавка лучом в вакууме, применяется тогда, когда необходимо выплавить особо чистые металлы, 

в том числе химически активные. При этом можно получать более  высокий перегрев жидкого металла в ванне и наиболее полно производить дегазацию металла, отгонку летучих примесей, а также осуществить те физико-химические процессы, которые при иных методах плавки не успевают протекать полностью. Переплавляемый материал может быть использован в любом виде (шихта, пруток, лом, спеченные штабики, губка). Особую роль при этом играет вакуум как защитная среда, что объясняется следующим.

1. В вакууме, происходит интенсивное удаление растворенных в металле газов, что значительно улучшает механические свойства металла, особенно пластичность. Многие сплавы на основе титана, вольфрама, молибдена, ниобия и других химически активных металлов получили промышленное применение только благодаря выплавлению в вакууме.
2. Некоторые из примесей (нитриды, карбиды, оксиды) при нагревании в вакууме разлагаются; при этом происходит вакуумное рафинирование переплавляемого металла. Переплавленный металл содержит меньше металлических включений, 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 вида

MeO + C ↔ Me + СО

по принципу Ле-Шаталье сдвигается вправо, т.е. резко интенсифицируются раскислителъные реакции. Это также дает возможность повысить качество выплавляемого в вакууме металла, значительно снизить в нем содержание газов, прежде всего кислорода.

Электронно-лучевой переплав (ЭЛП) применяют для глубокого рафинирования сталей и сплавов, для получения чистых и ультрачистых тугоплавких металлов (молибден, ниобий, цирконий и др.). Источником теплоты на установках (печах) электронно-лучевого переплава является энергия, выделяющаяся при торможении потока электронов, пучок которых направлен на переплавляемый металл (кинетическая энергия электронов превращается в тепловую). Электроны вырабатываются катодом электронной пушки. Разгон электронов осуществляется в условиях глубокого вакуума (остаточное давление 0,00133 кПа) за счет высокого напряжения (150 кВт) между катодом пушки и анодом, которым является переплавляемый металл и образующийся слиток.

На рисунке показана схема  установки аксиальной пушкой

1. В плавильной вакуумной камере 2 размещаются расходуемый электрод 3, водоохлаждаемый кристаллизатор 4 и направляемый слиток 5, затравка 6 и водоохлаждаемый шток 7, связанный с системой перемещения слитка.

Для управления процессом  в схеме предусмотрены фокусирующая и направляющая (отклоняющая) пучок  электронов системы. Наличие вакуума, большой перегрев, высокие скорости охлаждения слитка способствуют удалению газов и примесей, получению металлов особо высокого качества. Однако при переплаве сплавов, содержащих легкоиспаряющиеся элементы, изменяется химический состав металла.

В настоящее время применяют  электронно-лучевые установки с  мощностью пушек до 7500 кВт и  массой слитка до 100 т.

Рис.4 Схема электронной плавильной установки с аксиальной пушкой

 

Исключительно важную роль в технологии играет электроннолучевой нагрев вещества. Лишь некоторая доля энергии первичного пучка уносится из тела мишени эмитированными с ее поверхности электронами, фотонами и атомными частицами, а оставшаяся часть поглощается веществом и в конечном счете переходит в теплоту. Как и при любом другом способе нагрева, эта теплота отводится от облучаемою участка за счет теплопроводности материала и теплового излучения поверхности. С ростом энергии электронного пучка тепловой баланс между выделяемой и отводимой энергиями устанавливается, при более высокой температуре облучаемого участка. Повышение температуры, в свою очередь, стимулирует протекание ряда термических процессов: структурных фазовых переходов, отжига дефектов, диффузии, рекристаллизации, плавления, десорбции и испарения с поверхности атомных частиц, термоэлектронной эмиссии и др.

Размерная обработка электронным  пучком! В результате такого рода обработки в заготовке получают глухие или сквозные отверстия заданных размеров и заданный контур с определёнными допусками. Размерная электронно-лучевая обработка основана на том, что при достаточно большой поверхностной удельной мощности скорость испарения и давление пара возрастают настолько, что весь жидкий металл с потоком пара выбрасывается из зоны обработки.

Особой разновидностью размерной  электронно-лучевой обработки является перфорация, т.е. получение мелких сквозных отверстий заданных формы и размеров в заданном количестве на единицу площади. Так изготавливают металлические и керамические элементы фильтров, пористый материал для камер сгорания ракетных двигателей и для лопаток турбин, фильеры и др.