Машины и оборудование. 2

Содержание: 
 

 Введение……………………………………………………………………..3

 Лазерная  обработка заготовок………………………………………………4

 Обработка материалов лазерным лучом……………………………………6

 Термообработка  материалов…………………………………………………10

 Лучевая обработка.

 Метод обработки электронным лучом……………………………………..12

 Метод светолучевой обработки……………………………………………..14

 Заключение……………………………………………………………………16

 Список  литературы……………………………………………………………17 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

Введение 

   В данной работе рассмотрены широкие  возможности, открывающиеся перед  производством, в результате использования принципиально новых технологий лазерной обработки. 
Лазерная и лучевая обработка открывает возможность развития технологических процессов обработки материалов в ряде областей машино- и приборостроения. 
Высокие плотности мощности лазерного и лучевого излучения, существенно превосходящие другие источники энергии, позволяют не только значительно увеличить производительность обработки, но и получить качественно новые результаты, недоступные традиционным методам обработки. 
Благодаря новым методам обработки материалов, производство занимает меньше времени, сокращается количество бракованной продукции. Вот почему так важно изучение и усовершенствование данных методов обработки. С помощью лазерной и лучевой обработки можно получать высококачественные детали, продукцию.

   Главная цель этой работы – изучение лучевого и лазерного методов обработки  деталей. 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

Лазерная  обработка заготовок 

 Лазер – источник электромагнитного излучения, видимого инфракрасного и ультрафиолетового диапазонов, основанный на вынужденным излучении атомов и молекул. Слово «лазер» составлено из начальных букв слов английской фразы «Light amplification by stimylated Emission of Radiation» - что означает «усиление света в результате вынужденного излучения».

 Вынужденное излучение происходит при столкновении кванта с электроном, находящимся  на верхнем энергетическом уровне и  отдающим квант энергии при переходе на нижний уровень. Усиление света получается за счет того, что первый квант, т.е. квант-возбудитель, после столкновения с атомом не исчезает, а сохраняется и дальше летит вместе с вновь рожденным квантом. Затем каждый из этих двух квантов сталкивается с одним квантом, а потом с восьмью, шестнадцатью и т.д., пока не кончится их путь в активном веществе. Так что чем длиннее будет этот путь, тем более мощную лавину квантов, т.е. более мощный луч света, вызывает первый квант. А так как первоначальный импульс света заключает в себе не 1 квант, а множество, то и лавина квантов становится мощной. Поэтому в твердотельных лазерах активное вещество используется в виде узких длинных призм, цилиндров, т.е. в виде стержней, длина которых примерно в 10 раз больше толщины.

 В генераторе имеется система зеркала. Зеркала  представляют собой не что иное, как торцы стержня, покрытые серебром. Торцы шлифуются строго параллельно друг другу и перпендикулярно оси цилиндра. Причем один покрывается серебром плотно, так, чтобы свет полностью отражался от него, а другой серебрится тонким слоем с таким расчетом, чтобы он отражал 90% квантов, а 10 % пропускал.

 Зеркала необходимы для того, чтобы делать луч лазера направленным, а главным  образом для многократного усиления первичной лавины квантов, летящих  вдоль оси стержня активного  вещества. Первичная лавина, пролетевшая  стержень до конца, еще очень слаба для того, чтобы стать мощным потоком света. И её отбрасывает назад зеркало на торце стержня. Зеркало со стопроцентным отражением света. Лавина квантов мчится обратно гигантскими скачками, набираясь новых сил. Нарастание мощности выходного пучка света происходит так быстро, что практически незаметно.

 В качестве активного вещества в твердотельных  лазерах используют кристаллические  или аморфные диэлектрики, т.е. вещества, не пропускающие электрический ток. Наиболее распространенным материалом рабочих тел лазеров является синтетический рубин – кристаллическая окись алюминия, в которой часть атомов алюминия заменена на атомы хрома. Эти атомы хрома и являются рабочими телами, которые «накачиваются» энергией, а затем отдают её, усиливая  световой поток.

 Лазерный  луч можно сфокусировать и  так, что он будет вызывать интенсивный  нагрев. Например, с помощью линзы  с фокусированным расстоянием 1 см луч  можно сфокусировать в пятно, называемое фокальным, так как оно  находится в фокусе диаметром 0,01 см, т.е. площадью в 0,0001 см квадратных. Хотя вспышка лазера и кратковременна, её достаточно для расплавления и испарения освещенной части любого материала, будь то металл, камень или керамика.

 Во  время мощных вспышек, а тем более  во время непрерывной работы лазера, стержень активного вещества сильно нагревается и его приходится охлаждать. Для этого стержень заключается в кожух, через который циркулирует охлаждающая среда. Рубиновый лазер обычно охлаждается жидким азотом,, температура которого равна – 196 градусов по Цельсию. 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

 Обработка материалов лазерным лучом.

 Направим  на поверхность какого-то материала, например металла, луч мощного лазера. Вообразим, что интенсивность излучения  постепенно растет (за счет увеличения мощности лазера или за счет фокусирования излучения). Когда интенсивность излучения достигнет необходимого значения, начнется плавление металла. Вблизи поверхности, непосредственно под световым пятном, возникает область жидкого (расплавленного) металла. Поверхность, ограничивающая эту область от твердого металла (её называют поверхностью расплава), постепенно перемещается в глубь материала по мере поглощения им световой энергии. При этом площадь поверхности расплава увеличивается и, следовательно, теплота начинает более интенсивно проникать в глубь материала за счет теплопроводности. В результате устанавливается поверхность расплава (рис 18.3,а).

 При повышении интенсивности лазерного  излучения одновременно с плавлением будет происходить интенсивное  испарение (кипение) материала. Часть вещества превратится в пар, в следствии чего на поверхности материала возникнет лунка, начнется процесс формирования отверстия (рис.18.3,б).  
 
 
 
 
 
 
 

 Когда интенсивность излучения достигнет  максимума, свет начнет сильно ионизировать пары вещества, превращая их в плазму. Возникнув, плазма преградит дальнейший доступ лазерного излучения к поверхности материала – ведь свет интенсивно поглощается плазмой (рис. 18.3,а).

 Говоря  о действии луча на вещество, имелось  в виду концентрация световой мощности лишь в пространстве (ведь интенсивность луча есть мощность, отнесенная к единице площади его сечения). Надо учитывать и концентрацию мощности во времени. Её можно регулировать, изменяя длительность одиночных лазерных импульсов или частоту следования импульсов (если генерируется  последовательность импульсов). Предположим, что интенсивность достаточна для того, чтобы металл не только плавился, но кипел; при этом излучение лазера представляют собой одиночные импульсы. В данном случае в материале поглощается значительная световая энергия за очень короткое время. За такое время поверхность расплава не успеет переместиться в глубь материала; в результате еще до того, как расплавится  сколько-нибудь заметная масса вещества, начнется его интенсивное испарение. Иными словами, основная часть поглощаемая веществом световой энергии лазерного импульса расходуется в подобных условиях не на плавление, а на испарение.

 В зависимости  от вида обработки и свойств материала  используют излучение с вполне определенными  энергетическими и временными характеристиками. Если, например, для сварки подходят относительно менее интенсивные и в то же время более длительные импульсы, но для пробивания отверстий, где важно интенсивное испарение материала, подходят более интенсивные и более короткие импульсы.

 Чтобы получить тончайшую проволоку из меди, бронзы, вольфрама и других металлов, применяют технологию протягивания проволоки сквозь отверстия очень  малого диаметра. Эти отверстия высверливаются в материалах, обладающих высокой  твердостью, например в алмазах. Алмазные фильеры позволяют получать проволоку диаметром всего 10 мкм. Для сверления одного такого отверстия  механическим путем требуется до 10 ч.

 Канал волочения в алмазном фильере  имеет сложный профиль ( рис. 18.4). Лазерным импульсом излучением пробивают черновой канал в алмазной заготовке, затем обрабатывая канал ультразвуком, шлифуя и полируя, придают ему необходимый профиль. Лазерное сверление широко применяется для получения отверстий не только в твердых материалах, но материалах, отличающихся повышенной хрупкостью. 
 
 
 
 
 
 

 Лазерная  сварка может быть точечной и шовной. В большинстве случаев применяют  импульсные лазеры, обеспечивающие наименьшую зону термического влияния. С помощью  лазерной сварки можно получать высококачественные соединения деталей из коррозионно-стойкой стали, никеля, молибдена и др. Высокая мощность лазерного излучения позволяет сварить материалы с высокой теплопроводностью (медь, серебро). Для материалов, плохо поддающихся сварке другими методами (вольфрам с алюминием, медь со сталью, бериллиевая бронза с другими сплавами), применяют лазерный метод. Плотность потока излучения на поверхности свариваемых деталей в зависимости от их материала может быть 0,1…1 МВт/см. глубина проплавления материала при сварке импульсным твердотельным лазером 0,05…2 мм при её отношении к диаметру сварочной точки или ширине шва0,5…5 мм, что делает возможным надежную сварку деталей толщиной 0,01…1 мм. Оборудование для лазерной сварки обеспечивает работу в следующих режимах: энергия излучения в импульсе 0,1…30 Дж, длительность импульса 1…10 мс, диаметр светового пятна 0,05…1,5 мм. Производительность точечной сварки 60 операций в 1 мин,

 шовной  – 1 м/мин при глубине проплавления 0,5 мм.

 Наиболее  эффективно применять лазеры для  сварки конструкций в труднодоступных местах, при соединении легкодеформируемых  деталей, в условиях интенсивного теплоотвода (например, для материалов с высокой теплопроводностью, при низких температурах и т.д.), а также в тех случаях, когда надо обеспечить минимальную зону термического влияния.

 Развитие  лазерной сварки прошло через два  этапа. Вначале развивалась точечная сварка – на основе импульсных твердотельных  лазеров на рубине и на стекле с  неодимом. С появлением лазеров на СО2 и лазеров на гранате с неодимом, дающих непрерывное излучение или последовательность часто повторяющихся импульсов, стала развиваться шовная сварка с глубиной проплавления до нескольких миллиметров (и даже сантиметров).

 Лазерная  сварка с использованием непрерывного излучения применяют для герметизации корпусов приборов, привариваемых наконечников к лопастям газовых турбин, приварки режущих кромок из закаленной стали к полотнам металлорежущих пил и т.д. Скорость сварки достигает несколько метров в минуту; ширина шва до 0,05 мм.

 При применении лазерной сварки прочность  сварных соединений (ширина шва составляет несколько миллиметров) достигает  уровня прочности свариваемого материала. Осуществляется автоматическая лазерная сварка кузовов автомобилей, сварка листов титана и алюминия на судостроительных верфях, сварка газопроводов.

 Лазерная  сварка хорошо конкурирует с другими  способами сварки. Она обладает рядом  преимуществ, которые делают её во многих случаях предпочтительней или даже единственно возможной. При лазерной сварке нет контакта со свариваемым образцом, а поэтому нет опасности его загрязнения какими-либо примесями. В отличие от электронной сварки, для которой нужен вакуум, лазерная сварка производится в атмосфере. Лазерная сварка позволяет осуществлять быстро и с высокой точностью локальное проплавление в данной точке или вдоль заданной линии. Подвергающаяся тепловому воздействию зона имеет очень малые размеры, что важно, в частности, в тех случаях, когда сварка производится в непосредственной близости от чувствительных к нагреву элементов.  
 

 Термообработка  материалов

 При направлении лазерного луча на поверхность  металла тонкий поверхностный слой быстро нагревается. По мере перемещения  луча на другие участки поверхности  происходит быстрое остывание нагретого участка. Так производят закалку поверхностных слоев, приводящую к существенному повышению их прочности. Лазерная закалка позволяет избирательно увеличивать прочность именно тех участков поверхности, которые в большей степени подвергаются износу. Так лазерную закалку применяют в автомобильной промышленности для упрочнения головок цилиндра двигателей, направляющих клапанов.

 Для повышения прочности поверхности  применяется также лазерное легирование. Легирующие присадки в виде порошка  предварительно наносятся на обрабатываемую поверхность. При облучении лазером поверхности заготовки происходит плавление и взаимное перемешивание порошка и материала заготовки в пределах тонкого поверхностного слоя. Термообработку обычно проводят непрерывно генерирующим лазером на СО2.

 Поверхностное упрочнение металлов производят ударными волнами при использовании лазеров, генерирующих последовательности импульсов. У поверхности металла образуется слой плазмы. Плазма распространяется навстречу лазерному лучу, в результате чего рождается ударная волна. Поскольку луч представляет собой последовательность импульсов, возникает последовательность ударных волн. Воздействие волн на металлическую деталь оказывает в данном случае такое влияние, как при холодной обработке металла давлением.

 Лазерная  термообработка позволяет повысить твердость материала на 20 – 30% по сравнению с традиционными методами упрочнения и в несколько раз  износостойкость.  
 

 Рассмотрим  технологическую систему лазерной термообработки (на примере станка модели АЛТК-Т) (ТС): станок – АЛТК – Т, приспособление – специальное зажимное, инструмент – лазер на СО2 , заготовка – головка блока цилиндров. После механической обработки деталь  автоматически подается на рабочий стол лазерной технологической установки, которое совершает поступательное движение. Лазерная головка, совершая движение по окружности, проходит по контору обрабатываемой поверхности. Обработка проходит в защитной среде аргона, который подается через сопло. Газообразные продукты, образующиеся в ходе обработки, удаляются из зоны обработки в вентиляционную систему через патрубок. После завершения лазерной обработки деталь автоматически подается на последующую обработку.

 Лазерную  резку материалов осуществляют как  в импульсном, так и в непрерывном  режиме. При резке в импульсном режиме непрерывный рез получается в результате наложения следующих друг за другом отверстий. Наиболее широкое применение получила резка тонкопленочных пассивных элементов интегральных схем. Для этого применяются импульсные лазеры на алюмо-иттриевом гранате с модуляцией дробности, лазеры на углекислом газе. Импульсный характер обработки обеспечивает минимальную глубину прогрева материала и исключает повреждение подложки, на которую нанесена пленка.  
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

 Лучевая обработка

 Метод обработки электронным лучом.

 Практика  установила возможность использования  энергии сфокусированного электронного луча для обработки твердых материалов посредством их местного плавления. В вакууме создается импульсивный электронный луч с частотой от 1 до 3000 Гц и временем импульсов от 0,01 до 0,00005 с при скорости электронов 115000 … 165000 км/с, с температурой в зоне обработки около 6000 градусов. Время обработки зависит от количества удаляемого металла и его термических и химических свойств; механические свойства металла на время обработки влияния не оказывает.

 Электронно-лучевая  установка состоит из источника  питания, вакуумной системы, блока  управления и электронной пушки. Для образования эмиссии электронов служит источник питания, который осуществляет канал катода.

 Электронная пушка (рис. 252) состоит из термоэлектронного  катода, управляющего электрода 1, импульсного  генератора (модулятора) 2, электромагнитного  регулирующего устройства 3, магнитной  линзы 4 и отклоняющей системы 5. Импульсный генератор 2 обеспечивает в целях ограничения зоны нагревания прерывность электронного луча, а электромагнитное регулирующее устройство 3 стабилизирует его. Магнитная линза 4 предназначена для фокусирования луча до необходимого диаметра на поверхности заготовки (минимальный диаметр достигает 0,01 мм), а отклоняющее устройство 5 – для перемещения электронного луча по обрабатываемой поверхности.

 Производительность  обработки электронным лучом  значительно выше, чем при прочих методах обработки. Стальные листы  толщиной до 1 мм режут электронным лучом со скоростью 1200 мм/мин.

 В настоящее  время электронным лучом обрабатывается отверстия диаметром до 0,001 мм, а  также фрезеруют сложные профили. Электронный луч применяют для  очистки поверхностей деталей, изготовленных  из таких материалов, как тантал, молибден, цирконий, ниобий, титан и вольфрам, а также для сварки некоторых сплавов.  
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

 Метод светолучевой обработки

 Этот  метод основан на использовании  электромагнитных колебаний светового  диапазона, получаемых с помощью квантовых оптических генераторов (лазеров).

 Этими электромагнитными колебаниями  можно управлять, их можно сфокусировать  в очень тонкие параллельные пучки  с углом расхождения луча равного 30`, с высокой когерентностью, т.е. с одинаковой частотой и фазой излучаемых электромагнитных колебаний. Направленный когерентный световой луч обладает огромной плотностью световой энергии.  
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

 На  рисунке 253 приведена схема обработки  лучом лазера с рабочим телом  из монокристалла рубина (оксида алюминия, где около 0,05% атомов алюминия заменены атомами хрома). Основные элементы этого генератора: 3 – рубиновый стержень и 4 – лампа накачки; 1 – фотоэлемент для регулирования световой энергии; 2 – светофильтр; 5 – оптическая система; 6 – рабочая камера; 7 – механизм подачи заготовки; 8 – заготовка.

 Торцы рубинового стержня шлифуют и  полируют так, чтобы они были плоскопараллельными, а затем серебрят. Когда свет, возбуждаемой лампой накачки, проходит вдоль стержня, он попеременно отражается от зеркальных торцов. Генерирование световых колебаний производится зарядами конденсаторной батареи на лампу накачки. При этом свет достигает большой интенсивности, определяемой также числом возбужденных атомов хрома. Для вывода светового луча одно из зеркал делается частично прозрачным. Исходящий из оптического генератора луч можно сфокусировать до диаметра, не превышающего 0,01 мм. При этом точка, в которую направлен световой луч, разогревается до десятков тысяч градусов и материал испаряется. Возможности применения рассматриваемого метода весьма многообразны. В качестве примера можно привести сверление отверстий диаметром 0,01…0,3 мм в материале толщиной 0,1…5 мм с шероховатостью поверхности стенок 2,5…1,25 мкм. Данный метод позволяет прошивать отверстия и щели в любом материале (алмаз, рубин, тантал и др.). мощный световой луч можно использовать также для сварки в труднодоступных местах машин и приборов, для пайки и сварки тонких деталей современных микроэлектронных изделий и т.д.  
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

 Заключение 

 В данной работе были рассмотрены различные методы обработки материалов. Были описаны процессы, возникающие при лазерной и лучевой обработке, описаны разновидности данных методов, приведены их плюсы и минусы.

 Лазерная  термообработка позволяет повысить твердость материала на 20 – 30% по сравнению с традиционными методами упрочнения и в несколько раз износостойкость, что позволяет увеличить производительность. Лучевая обработка считается одним из самых быстрых способов обработки материалов, при его использовании производительность также повышается.

 Всё это, безусловно, положительно влияет на производство в целом. Поэтому  данные методы используются в машиностроении и приборостроении, в отраслях, где  очень важна точность и высокое  качество изготовления продукции.  
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

 Список  литературы 

1. В.В. Данилевский  «Технология машиностроения» «Высшая  школа» Москва 1999 г.
2. А.Н. Ковшов «Технология машиностроения» Москва «Машиностроение» 2001 г.
3. Ю.А. Степанов, В.А. Рыбкин «Технология» Москва «Машиностроение» 1998 г.
4. Л.В. Красниченко «Современные методы обработки» Москва «Высшая школа» 2004 г.