Лучевые методы обработки

При размерной обработке  заготовок процесс осуществляется в импульсном режиме. В зоне обработки температура достигает 6000°С, а на расстоянии 1 мм от кромки луча не превышает ЗОО°С. Продолжительность и частоту импульсов подбирают так, чтобы за один цикл происходило испарение металла только под лучом. Диаметр сфокусированного луча - 10-50 мкм, а плотность потока энергии - 10⁷-10⁸ Вт/см², длительность импульсов составляет 15-100 мкс, а частота - 10-1000 Гц.

Электронно-лучевую обработку  применяют для обработки отверстий диаметра 1 мм - 10 мкм, прорезания пазов, резки заготовок, изготовления тонких пленок и сеток из фольги. Обрабатывают заготовки из труднообрабатываемых материалов, твердых сплавов, а также неметаллических материалов: алмаза, рубина, керамики, кварца, полупроводниковых материалов. Вакуумная среда обеспечивает обработку заготовок из легкоокисляющихся активных материалов.

Производительность обработки  при черновой прошивке - 20 мм³/мин, на чистовых режимах - 1 мм³/мин. Точность обработки составляет 5-20 мкм, шероховатость - 3,2-0,8 мкм.

К преимуществам электронно-лучевой  обработки относят:

• возможность создания локальной концентрации высокой энергии, широкое управление и регулирование тепловыми процессами;
• отсутствие химического взаимодействия;
• возможность обработки труднодоступных мест;
• возможность нанесения тонких покрытий толщиной от нескольких микрометров до сотых долей миллиметра.

Недостатки электронно-лучевой  обработки:

• необходимость создания вакуума;
• сложность и высокая стоимость установок;
• необходимость защиты обслуживающего персонала от рентгеновского излучения.

3.2. Лазерная (светолучевая) обработка

Оптические квантовые  генераторы - лазеры, результат независимого открытия в 1955 г. советских физиков Н. Г. Басова и А. М. Прохорова, а также Ч. Таунсона (США), в настоящее время успешно применяют в технологиях различных отраслей промышленности, электроники, медицины. Лазер - источник электромагнитного излучения атомов и молекул видимого инфракрасного и ультрафиолетового диапазонов. Излучение, сфокусированное в крошечное пятно, можно применять для различных целей. Полупроводниковые лазеры используют для волоконно-оптической связи, голографии. Перспективны лазерные технологии, такие как лазерная химия, лазерное воздействие на живую ткань, лазерный термоядерный синтез, лазерная спектроскопия, лазерная обработка металлов и многие другие.

Лазерные технологии, применяемые  в промышленности, можно условно  разделить на два вида. В первом виде используется возможность тонкой фокусировки лазерного луча и точного дозирования энергии, как в импульсном, так и в непрерывном режиме. В таких технологических процессах применяют лазеры сравнительно невысокой средней мощности: это газовые лазеры импульсно-периодического действия, на кристаллах иттрий-алюминиевого граната с примесью неодима. С помощью последних разработаны технологии сверления тонких отверстий (диаметром 1-10 мкм, глубиной 10 - 100 мкм) в рубиновых и алмазных камнях для часовой промышленности, при изготовлении фильер для процессов волочения тонкой проволоки. Основная область применения маломощных импульсных лазеров связана с резкой и сваркой деталей в микроэлектронике и электровакуумной технике, с маркировкой миниатюрных деталей, автоматическим выжиганием букв, цифр, изображений для нужд полиграфической промышленности, в фотографии для изготовления сверхминиатюрных печатных плат, интегральных схем и других элементов микроэлектронной техники.

Второй вид лазерных технологий основан на применении лазеров со средней мощностью от 1 кВт и  выше. Мощные лазеры используют для  резки и сварки толстых стальных листов, поверхностной закалки, наплавки и легирования крупногабаритных деталей и др.

В установках типа "Квант" в качестве активной рабочей среды  используют твердые тела - стержни  из искусственного рубина, стекла с  добавками неодима, алюмонатриевого  граната и др. Активной средой газовых ОКГ является смесь газов - обычно СО2 + Не + N₂ (лазеры на С0₂), лазеры типа ЛТ-1, ЛТ-1-5 и др.

Энергия излучения ОКГ  невелика - 10-100 Дж, а КПД составляет 0,1-1%. Температура в точке приложения луча на детали 5500-9000°К, достаточная  для плавления и испарения  металла.

Основными характеристиками лазерного излучения являются: мощность излучения (Вт), длина волны (0,04-10,6 мкм), длительность (мкс), форма импульсов, расходимость пучка.

Лазерный луч применяют  для прошивания отверстий диаметром  от нескольких микрон до десятков миллиметров  и глубиной до 15 мм. Производительность обработки составляет до 60 - 240 отверстий в минуту. При лазерной резке ширина реза составляет 0,3 - 1 мм, толщина разрезаемого материала до 10 мм. Скорость резки зависит от толщины и свойств обрабатываемого материала и составляет 0,5-10 м/мин.

Рис.5 Схема лазерной обработки

Установка состоит из активного  элемента 1, лампы 2, цилиндрического  осветителя 3 и зеркал 4 и 5. Излучение, пройдя систему поворотных зеркал 7, 8 с диэлектрическим покрытием, попадает в телескопическую систему. В  результате взаимодействия луча лазера с заготовкой 12 металл в зоне воздействия  испаряется и образуется отверстие. Излучение можно перекрыть заслонкой 6. Объективы 11, 13, зеркала 10, 14, масштабная сетка 16, окуляр 17 и блок светофильтров 15 позволяют следить за процессом  обработки. Световое пятно регулируется набором линз 9.

На станке можно обрабатывать систему отверстий, выполнять отверстия  различных профилей в заготовках (например, для микроэлектроники), профилировать  многогранный инструмент из эльбора и т. д.

Перечислим преимущества светолучевой обработки по сравнению с электронно-лучевой:

• возможность обработки крупногабаритных деталей;
• возможность обработки труднодоступных мест;
• не требуется вакуумных камер, обработка ведется в воздушной среде;
• меньше габариты оборудования;
• не требуется защиты от рентгеновского излучения, достаточно применения защитных очков.

Недостатки обработки  световым лучом:

• сравнительно невысокая излучаемая мощность;
• мощность подкачки в 1000-3000 раз больше излучаемой мощности;
• низкий КПД квантовых генераторов (1-2%);
• в перегрев кристалла и трудности его охлаждения;
• относительно низкая точность обработки (9-10 квалитет).

Одним из новых направлений  светолучевых технологий является

лазерная стереолитография.

В условиях конкурентной экономики  сокращение сроков и затрат на создание новых и модернизацию действующих  изделий, а также

быстрее освоение их производства благодаря использованию новейших технологий приобретает решающее значение для производителей наукоемкой продукции. Автоматическое проектирование стало основным инструментом разработчиков и производителей новой техники. Применение ЭВМ на стадии технической подготовки производства позволяет быстро переходить к выпуску новых высококачественных изделий за счет ускоренного процесса конструирования и изготовления технологической оснастки.

САД/САМ-системы, применяемые  лидерами мирового машиностроения, основаны на твердотельном моделировании.

Лазерная стереолитография - технология изготовления прототипов, моделей и технологической оснастки по компьютерной математической модели методом фотополимеризации (отвердения под лазерным излучением специальных пластических масс - фотополимерных композиционных материалов).

В развитых странах используется свыше 500 стереолитографических установок.

Использование оборудования и программного обеспечения САД/САМ-систем на базе лазерной стерео литографии обеспечивает следующие преимущества:

• сокращение в десятки раз времени на разработку и внедрение в прототипы деталей, а также на создание мастер-моделей для технологической оснастки;
• значительная экономия времени и средств на конструкторскую и технологическую подготовку производства;
• высокая точность (в пределах 0,08-0,1 мм) изготавливаемых моделей-прототипов разрабатываемых конструкций.

Наиболее эффективна САД/САМ-технология в таких производствах, как литейное, кузнечно-прессовое, листоштамповочное, инструментальное, порошковая металлургия и др.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК

1. Гинберг А.М. Технология важнейших отраслей промышленности: Учеб. Для экономич. Спец. Вузов – М.: Высш. Шк., 1985. – 496 с., ил.
2. Ковшов А.И. Технология машиностроения: Учеб. для студентов машиностроительных специальностей вузов. - М.: Машиностроение, 1987. - 320 с.
3. Уланов В.Г. Металлосберегающие технологические процессы в машиностроении: Учеб. Пособие. – Самара: Изд-во Самар. гос. экон. акад., 2003. – 112 с.
4. Уланов В.Г. УМК по дисциплине "Технология машиностроения" для специальности "ЭУП (машиностроение)"