Уже много десятилетий большой популярностью для изготовления различных изделий пользуется обработка цветных металлов. Технологии и современные методы производства позволяют ускорить сам процесс, а также повысить качество конечного продукта.
Обладают характерным оттенком и высокой пластичностью. Их добыча осуществляется из земной породы, где они находятся в очень небольшом количестве. Обработка цветных металлов затратное по силам и финансам производство, но оно приносит огромную прибыль. Изделия из них обладают уникальными характеристиками, недоступными при их изготовлении из чёрных материалов.
Все цветные металлы делятся на несколько групп по своим свойствам:
- тяжёлые (олово, цинк, свинец);
- лёгкие (титан, литий, натрий, магний);
- малые (сурьма, мышьяк, ртуть, кадмий);
- рассеянные (германий, селен, теллур);
- драгоценные (платина, золото, серебро);
- радиоактивные (плутоний, радий, уран);
- тугоплавкие (ванадий, вольфрам, хром, марганец).
Выбор группы используемых в производстве цветных металлов зависит от желаемых свойств конечного изделия.
Основные свойства
– пластичный металл с хорошей теплопроводностью, но низким уровнем сопротивления электричеству. Обладает золотистым цветом с розовым отливом. Её редко используют самостоятельно, чаще добавляют в сплавы. Применяют металл для изготовления приборов, машин, электрической техники.
– самый популярный сплав с медью, производится добавлением олова и химических веществ. Полученное сырьё обладает прочностью, гибкостью, пластичностью, его легко ковать и оно с трудом поддаётся износу.
– хорошо проводит электричество, относится к пластичным металлам. Обладает серебристым оттенком и малым весом. Непрочный, но стойкий к коррозии. Используется в военном деле, пищевой промышленности и на смежных производствах.
– довольно хрупкий цветной металл, но стойкий к коррозии и пластичный, если его нагреть до температуры 100–150 ºC. При его помощи создаётся устойчивое к коррозии покрытие на изделиях, а также различные стальные сплавы.
При выборе цветного металла для будущей детали необходимо учитывать его свойства, знать все преимущества и недостатки, а также рассмотреть варианты сплавов. Это позволит создать максимально качественное изделие с заданными характеристиками.
Использование защитного покрытия
Чтобы сохранить первоначальный вид и функциональность изделия, а также защитить его от атмосферной коррозии, применяются специальные покрытия. Обработка изделия краской или грунтовкой – наиболее простой и эффективный метод защиты.
Для достижения большего эффекта на очищенный металл наносят грунтовку в 1–2 слоя. Это защищает от разрушения и помогает краске лучше держаться на изделии. Выбор средств зависит от вида цветного металла.
Обработка алюминия производится грунтовками на основе цинка или уретановыми красками. Латунь, медь и бронза не требуют дополнительной обработки. При возникновении повреждений проводится полировка и нанесение эпоксидного или полиуретанового лака.
Способы нанесения защитного слоя
Выбор методики нанесения покрытия зависит от вида цветного металла, финансирования предприятия и желаемых характеристик изделия.
Самым популярным способом обработки цветных металлов для защиты от повреждений считается гальваника. На поверхность изделия наносится защитный слой из специального состава. Его толщина регулируется в зависимости от температурного режима, при котором будет эксплуатироваться деталь. Чем более резкий климат, тем больше слой.
Особенно популярен гальванический метод обработки деталей в строительстве домов и машин. Существует несколько разновидностей покрытия.
– проводится с использованием хрома и сплавов на его основе. Деталь становится блестящей, металл после обработки устойчив к действию высоких температур, коррозии и износу. Особенно популярен метод в промышленном производстве.
– проводится с использованием тока, действие которого вызывает образование плёнки при обработке алюминия, магния и подобных им сплавов. Конечное изделие устойчиво к действию электричества, коррозии и воды.
– проводится с использованием смеси никеля и фосфора (до 12%). После покрытия детали подвергают термообработке, что увеличивает стойкость к коррозии и износу.
Метод гальванической обработки деталей довольно дорогостоящий, поэтому его применение для малых производств затруднено.
Дополнительные методы
Металлизация напылением относится к бюджетным вариантам. На поверхность изделия наносится расплавленная смесь при помощи воздушной струи.
Существует также горячий метод нанесения защитного слоя. Детали погружаются в ванну, внутри которой находится расплавленный металл.
При диффузионном методе защитный слой создаётся в условиях повышенной температуры. Таким образом, состав проникает в изделие, чем повышает его устойчивость к внешним воздействиям.
Нанесение на цветной металл, из которого выполнена деталь, другого, более стойкого, называют плакированием. Процесс подразумевает литьё, совместную прокатку, пресс и дальнейшую ковку изделия.
Современные технологии обработки
Существует несколько основных методов обработки цветных металлов. Они делятся на несколько групп в зависимости от технологии и температурного режима: горячие и холодные, механические и термические.
Самые популярные из них:
- сварка ( , химическая, газовая, дуговая, электрическая, контактная);
Наиболее распространенный способ изготовления деталей связан с удалением слоя материала , в результате чего получается поверхность с чистотой, величина которой зависит от технологии и режимов обработки.
Вид обработки с удалением слоя материала обозначается знаком, в виде латинской буквы « V » который состоит из трёх отрезков, два из которых менее длинные третьего и один из них расположен горизонтально.
Обработка резанием получила широкое распространение во всех отраслях промышленного производства связанных с формоизменением геометрических размеров различных материалов, например таких как: дерево, металлы и сплавы, стекло, керамические материалы, пластмассы.
Суть процесса обработки с удалением слоя материала заключается в том, что с помощью специального режущего инструмента с заготовки удаляют слой материала, постепенно приближая форму и размеры к конечному изделию в соответствии с техническим заданием. Методы обработки резанием разделяются на ручную обработку и станочную. С помощью ручной обработки производится отделка материала с использованием таких инструментов как: ножовка, напильник, сверло, зубило, надфиль, стамеска и многое другое. На станках используются резцы, свёрла, фрезы, зенковки, зенкера и др.
В машиностроении основным видом обработки является процесс резания на металлорежущих станках, который выполняют согласно техническому заданию.
Наиболее распространение виды обработки материалов резанием это: точение и растачивание, фрезерование, шлифование, сверление, строгание, протягивание, полировка. В качестве оборудования для обработки материалов резанием используются универсальные токарные и фрезерные станки, сверлильные станки, зуборезные и шлифовальные станки, протяжные и т.д.
От шероховатости поверхности зависит и прочность деталей . Разрушение детали, особенно при переменных нагрузках, объясняется наличием концентраций напряжений, из-за присущих ей неровностей. Чем меньше степень шероховатости, тем меньше вероятность возникновения поверхностных трещин вследствие усталости металла. Дополнительные отделочные виды обработки деталей такие как: доводка, полирование, притирка и т. п., обеспечивает весьма значительное повышение уровня их прочностных характеристик.
Улучшение качественных показателей шероховатости поверхности значительно увеличивает антикоррозионную стойкость поверхностей деталей. Это становится особенно актуально в том случае, когда для рабочих поверхностей не могут быть задействованы защитные покрытия, к примеру, у поверхности цилиндров двигателей внутреннего сгорания и других сходных элементов конструкций.
Должное качество поверхности играет значительную роль и в сопряжениях, отвечающих условиям герметичности, плотности и теплопроводности.
С понижением параметров шероховатости поверхностей улучшается их способность отражать электромагнитные, ультразвуковые и световые волы; снижаются потери электромагнитной энергии в волноводах, резонансных системах, уменьшается емкостные показатели; в электровакуумных приборах убавляется газопоглощение и выделение газов, становится более лёгкая очистка деталей от адсорбированных газов, паров и пыли.
Важной рельефной характеристикой качества поверхности является направленность следов остающихся после механической и других видов обработки. Она влияет на стойкость к износу рабочей поверхности, определяет качество посадок, надёжность прессовых соединений. В ответственных случаях разработчик должен оговаривать направление следов обработки на поверхности детали. Это может оказаться актуальным, например, в связи с направлением скольжения сопрягаемых деталей или способом движения по детали жидкости или газа. Износ значительно уменьшается при совпадении направлений скольжения с направлением шероховатости обеих деталей.
Высоким требованиям точности отвечают шероховатость с минимальным значением. Это определяется не только условиями, в которых задействованы сопрягаемые детали, но и необходимостью получения точных результатов измерения в производстве. Уменьшение шероховатости имеет большое значение для сопряжений, так как размер, зазора или натяга, полученный в результате измерения частей деталей, отличается от размера номинального зазора или натяга.
Для того чтобы поверхности деталей получались эстетически красивыми, их обрабатывают до получения минимальных значений шероховатости. Полированные детали помимо красивого внешнего вида создают условия для удобства содержания их поверхностей в чистоте.
Обработку металла в современной промышленности принято различать по видам и методам. Наибольшее число видов обработки имеет самый "древний", механический метод: точение, сверление, растачивание, фрезерование, шлифование, полирование и т. д. Недостаток механической обработки - большие отходы металла в стружку, опилки, угар. Более экономный метод - штамповка, применяемая в меру развития производства стального листа. По за последние десятилетия появились новые методы, расширившие возможности металлообработки,- электрофизические и электрохимические.
В предыдущих статьях вы познакомились со штамповкой и резанием металлов. А теперь мы расскажем вам об электрофизических методах (электроэрозионном, ультразвуковом, световом, электроннолучевом) и электрохимических.
Электроэрозионная обработка
Все знают, какое разрушительное действие может произвести атмосферный электрический разряд -молния. Но не каждому известно, что уменьшенные до малых размеров электрические разряды с успехом используются в промышленности. Они помогают создавать из металлических заготовок сложнейшие детали машин и аппаратов.
На многих заводах сейчас работают станки, у которых инструментом служит мягкая латунная проволочка. Эта проволочка легко проникает в толщу заготовок из самых твердых металлов и сплавов, вырезая детали любой, порой прямо-таки причудливой формы. Как же это достигается? Присмотримся к работающему станку. В том месте, где инструмент-проволочка ближе всего расположен к заготовке, мы увидим светящиеся искорки-молнии, которые ударяют в заготовку.
Температура в месте воздействия этих электрических разрядов достигает 5000-10000° С. Ни один из известных металлов и сплавов не может противостоять таким температурам: они мгновенно плавятся и испаряются. Электрические заряды как бы "разъедают" металл. Поэтому и сам способ обработки получил название электроэрозионного (от латинского слова "эрозия" - "разъедание").
Каждый из возникающих разрядов удаляет маленькую частичку металла, и инструмент постепенно погружается в заготовку, копируя в ней свою форму.
Разряды между заготовкой и инструментом в электроэрозионных станках следуют один за другим с частотой от 50 до сотен тысяч в секунду в зависимости от того, какую скорость обработки и чистоту поверхности мы хотим получить. Уменьшая мощность разрядов и увеличивая частоту их следования, металл удаляют все меньшими частицами; при этом повышается чистота обработки, но уменьшается ее скорость. Действие каждого из разрядов должно быть кратковременным, чтобы испаряющийся металл сразу же охлаждался и не мог соединиться вновь с металлом заготовки.
Схема работы электроэрозионного станка для контурного вырезания отверстий сложных профилей. Нужную работу здесь производит электрический разряд, возникающий между инструментом - латунной проволокой и деталью.
При электроэрозионной обработке заготовку детали и инструмент из тугоплавкого или хорошо проводящего тепло материала присоединяют к источнику электрического тока. Чтобы действие разрядов тока было кратковременным, их периодически прерывают либо отключением напряжения, либо быстрым перемещением инструмента относительно поверхности обрабатываемой заготовки. Необходимое охлаждение выплавляемого и испаряемого металла, а также его удаление из рабочей зоны достигаются погружением обрабатываемой заготовки в токоне-проводящую жидкость - обычно машинное масло, керосин. Отсутствие токопроводимости у жидкости способствует тому, что разряд действует между инструментом и обрабатываемой заготовкой при очень малых расстояниях (10-150 мкм), т. е. только в том месте, к которому подведен инструмент и которое мы хотим подвергнуть действию тока.
Электроэрозионный станок обычно имеет устройства для перемещения инструмента в нужном направлении и источник электрического питания, возбуждающий разряды. В станке, имеется также система автоматического слежения за размером промежутка между обрабатываемой заготовкой и инструментом; она сближает инструмент с заготовкой, если этот промежуток чрезмерно велик, или отводит его от заготовки, если он слишком мал.
Как правило, электроэрозионный способ применяют в тех случаях, когда обработка на металлорежущих станках затруднена или невозможна. из-за твердости материала или когда сложная форма обрабатываемой детали не позволяет создать достаточно прочный режущий инструмент.
В качестве инструмента может использоваться не только проволочка, но и стержень, диск и др. Так, используя инструмент в виде стержня сложной объемной формы, получают как бы оттиск его в обрабатываемой заготовке. Вращающимся диском прожигают узкие щели и режут прочные металлы.
Электроэрозионный станок.
Существует несколько разновидностей электроэрозионного метода, каждая из которых обладает своими свойствами. Одни разновидности этого метода применяются для прожигания сложнофасонных полостей и вырезания отверстий, другие - для разрезания заготовок из жаропрочных и титановых сплавов и т. д. Перечислим некоторые из них.
При электроискровой обработке электрическим способом возбуждаются кратковременные искровые и искро-дуговые разряды температурой до 8000-10 000° С. Электрод-инструмент подключается к отрицательному, а обрабатываемая заготовка - к положительному полюсу источника электрического питания.
Электроимпульсную обработку производят электрические возбуждаемые и прерываемые дуговые разряды температурой до 5000° С. Полярность электрода-инструмента и обрабатываемой детали обратная по отношению к электроискровой обработке.
При анодно-механической обработке употребляют электрод-инструмент в виде диска или бесконечной ленты, который быстро перемещается относительно заготовки. При этом методе используют специальную жидкость, из которой на поверхность заготовки выпадает токонепроводящая пленка. Электрод-инструмент процарапывает пленку, и в местах, где на заготовке обнажилась поверхность, возникают разрушающие ее дуговые разряды. Они и производят нужную работу.
Еще более быстрое перемещение электрода, охлаждающее его поверхность и прерывающее дуговые разряды, применено при электроконтактной обработке, осуществляемой обычно в воздухе или в воде.
В нашей стране выпускают целый набор электроэрозионных станков для обработки самых различных деталей, начиная с очень маленьких и кончая крупными, массой до нескольких тонн.
Электроэрозионные станки работают сейчас во всех отраслях машиностроения. Так, на автомобильных и тракторных заводах их используют при изготовлении штампов коленчатых валов, шатунов и других деталей, на авиазаводах обрабатывают на электроэрозионных станках лопатки турбореактивных двигателей и детали гидроаппаратуры, на заводах электронных приборов - детали радиоламп и транзисторов, магниты и пресс-формы, на металлургических комбинатах разрезают прутки проката и слитки из особо твердых металлов и сплавов.
Работает ультразвук
Еще сравнительно недавно никто не мог и предположить, что звуком станут измерять глубину моря, сваривать металл, сверлить стекло и дубить кожи. А сейчас звук осваивает все новые и новые профессии.
Что же такое звук и благодаря чему он стал незаменимым помощником человека в ряде важнейших производственных процессов?
Звук - это упругие волны, распространяющиеся в виде чередующихся сжатий и разрежений частичек среды (воздуха, воды, твердых тел и т. д.). Измеряется частота звука количеством сжатий и разрежений: каждое сжатие и последующее разрежение образуют одно полное колебание. За единицу частоты звука принято полное колебание, которое совершается в 1 с. Эта единица называется герцем (Гц).
Звуковая волна несет с собой энергию, которая определяется как сила звука и за единицу которой принят 1 Вт/см 2 .
Человек воспринимает колебания различной частоты как звуки разной высоты. Низким звукам (бой барабана) соответствуют низкие частоты (100-200 Гц), высоким (свисток) - большие частоты (около 5 кГц, или 5000 Гц). Звуки ниже 30 Гц называются инфразвуками, а выше 15-20 кГц - ультразвуками. Ультразвуки и инфразвуки человеческое ухо не воспринимает.
Ухо человека приспособлено к восприятию звуковых волн очень малой силы. Например, раздражающий нас громкий крик имеет интенсивность, измеряемую нановаттами на квадратный сантиметр (нВт/см 2), т. е. миллиардными долями Вт/см 2 . Если превратить в тепло энергию от громкого одновременного разговора всех жителей Москвы в течение суток, то ее окажется недостаточно даже для того, чтобы вскипятить ведро воды. Такие слабые звуковые волны нельзя использовать для выполнения каких-либо производственных процессов. Конечно, искусственным путем можно создать звуковые волны во много раз более сильные, но они разрушат орган слуха человека, приведут к глухоте.
В области инфразвуковых частот, которые не опасны для уха человека, создать мощные колебания искусственным способом очень сложно. Иное дело -ультразвук. Сравнительно просто можно получить от искусственных источников ультразвук интенсивностью в несколько сотен Вт/см 2 , т. е. в 10 12 раз больше допустимой интенсивности звука, и этот ультразвук совершенно безвреден для человека. Поэтому, если говорить точнее, не звук, а ультразвук оказался тем мастером-универсалом, который нашел такое широкое применение в промышленности (см. т. 3 ДЭ, ст. "Звук").
Здесь мы расскажем только об использовании ультразвуковых колебаний в станках для обработки хрупких и твердых материалов. Как же устроены и работают такие станки?
Ультразвуковой станок.
Схема процесса ультразвуковой обработки.
Сердцем станка является преобразователь энергии высокочастотных колебаний электрического тока. Ток поступает на обмотку преобразователя от электронного генератора и превращается в энергию механических (ультразвуковых) колебаний той же частоты. Эти превращения происходят в результате магнитострикции - явления, которое заключается в том, что ряд материалов (никель, сплав железа с кобальтом и др.) в переменном магнитном поле изменяют свои линейные размеры с той же частотой, с которой изменяется поле.
Таким образом, высокочастотный электрический ток, проходя по обмотке, создает переменное магнитное поле, под воздействием которого колеблется преобразователь. Но получаемые амплитуды колебаний малы по размеру. Чтобы их увеличить и сделать пригодными для полезной работы, во-первых, настраивают всю систему в резонанс (добиваются равенства частоты колебаний электрического тока и собственной частоты колебаний преобразователя), а во-вторых, к преобразователю крепят специальный концентратор-волновод, который малые амплитуды колебаний на большей площади превращает в большие амплитуды на меньшей площади.
К торцу волновода присоединяют инструмент такой формы, какой хотят иметь отверстие. Инструмент вместе со всей колебательной системой прижимают с небольшим усилием к материалу, в котором надо получить отверстие, а к месту обработки подводят абразивную суспензию (зерна абразива меньше 100 мкм, смешанные с водой). Эти зерна попадают между инструментом и материалом, и инструмент, как отбойный молоток, вбивает их в материал. Если материал хрупкий, то зерна абразива откалывают от него микрочастицы размером 1-10 мкм. Казалось бы, немного! Но частиц абразива под инструментом сотни, и инструмент наносит 20 000 ударов в 1 с. Поэтому процесс обработки проходит достаточно быстро, и отверстие размером 20-30 мм в стекле толщиной 10-15 мм можно сделать за 1 мин. Ультразвуковой станок позволяет делать отверстия любой формы, причем даже в хрупких материалах, которые трудно обрабатывать.
Ультразвуковые станки широко применяются для изготовления твердосплавных матриц штампов, ячеек "памяти" вычислительных машин из феррита, кристаллов кремния и германия к полупроводниковым приборам и т. д.
Сейчас речь шла только об одном из многих случаев применения ультразвука. Однако он используется также для сварки, мойки, очистки, контроля, измерений и отлично выполняет эти свои обязанности. Ультразвук очень чисто "моет" и обезжиривает сложнейшие детали приборов, производит пайку и лужение алюминия и керамики, находит дефекты в металлических деталях, измеряет толщину деталей, определяет скорость течения жидкостей в разных системах и производит еще десятки других работ, которые без него не могут быть выполнены.
Электрохимическая обработка металлов
Если в сосуд с токопроводящей жидкостью ввести твердые проводящие пластинки (электроды) и подать на них напряжение, возникает электрический ток. Такие токопроводящие жидкости называются проводниками второго рода или электролитами. К их числу относятся растворы солей, кислот или щелочей в воде (или в других жидкостях), а также расплавы солей.
Электрохимический копировально-прошивочный станок.
Схема электролиза.
Схема электрохимической обработки отверстий сложных конфигураций в деталях.
Носителями тока в электролитах служат положительные и отрицательные частицы - ионы, на которые расщепляются в растворе молекулы растворенного вещества. При этом положительно заряженные ионы движутся к отрицательному электроду - катоду, отрицательные - к положительному электроду - аноду. В зависимости от химической природы электролита и электродов эти ионы либо выделяются на электродах, либо вступают в реакцию с электродами или растворителем. Продукты реакций либо выделяются на электродах, либо переходят в раствор. Это явление получило название электролиза.
Электролиз широко применяется в промышленности для изготовления металлических слепков с рельефных моделей, для нанесения защитных и декоративных покрытий на металлические изделия, для получения из расплавленных руд металлов, для очистки металлов, для получения тяжелой воды, в производстве хлора и др.
Одна из новых областей промышленного применения электролиза - электрохимическая размерная обработка металлов. Она основана на принципе растворения металла под действием тока в водных растворах солей.
Светолучевой станок для обработки алмазных фильтр.
Схема оптического квантового генератора: 1 - импульсная лампа; 2 - конденсатор; 3 - рубин; 4 - параллельные зеркала; 5 - линза.
При электрохимической размерной обработке электроды располагают в электролите на очень близком расстоянии друг от друга (50-500 мкм). Между ними под давлением прокачивают электролит. Благодаря этому металл растворяется чрезвычайно быстро, и если поддерживать постоянным расстояние между электродами, то на заготовке (аноде) можно получить достаточно точное отображение формы электрода-инструмента (катода).
Таким образом, с помощью электролиза можно сравнительно быстро (быстрее, чем механическим методом) изготавливать детали сложной формы, разрезать заготовки, делать в деталях отверстия или пазы любой формы, затачивать инструмент и т. д.
К преимуществам электрохимического метода обработки следует отнести, во-первых, возможность обрабатывать любые металлы, независимо от их механических свойств, во-вторых, то, что электрод-инструмент (катод) в процессе обработки не изнашивается.
Электрохимическая обработка производится на электрохимических станках. Их основные группы: универсальные копировально-прошивочные - для изготовления штампов, пресс-форм и других изделий сложной формы; специальные - для обработки лопаток турбин; заточные и шлифовальные - для заточки инструмента и плоского или профильного шлифования труднообрабатываемых металлов и сплавов.
Свет работает (лазер)
Вспомните "Гиперболоид инженера Гарина" А. Н. Толстого. Идеи, еще недавно считавшиеся фантастическими, становятся реальностью. Сегодня световым лучом прожигают отверстия в таких прочных и твердых материалах, как сталь, вольфрам, алмаз, и это уже никого не удивляет.
Всем вам приходилось, конечно, ловить солнечные зайчики или фокусировать линзой солнечный свет в маленькое яркое пятно и выжигать им разные рисунки на дереве. А вот на стальном предмете вы не сможете таким образом оставить какой-либо след. Конечно, если бы удалось сконцентрировать солнечный свет в очень маленькую точку, скажем, в неокольцо микрометров, то тогда удельная мощность (т. е. отношение мощности к площади) была бы достаточной, чтобы расплавить и даже испарить в этой точке любой материал. Но солнечный свет невозможно так сфокусировать.
Чтобы с помощью линзы сфокусировать свет в очень малое пятно и получить при этом большую удельную мощность, он должен обладать минимум тремя свойствами: быть монохроматическим, т. е. одноцветным, распространяться параллельно (иметь малую расходимость светового потока) и быть достаточно ярким.
Линза фокусирует лучи различного цвета на разном расстоянии. Так, лучи синего цвета собираются в фокус дальше, чем красного. Так как солнечный свет состоит из лучей различного цвета, от ультрафиолетового до инфракрасного, то и точно сфокусировать его не удается - фокусное пятно получается размытым, относительно большим. Очевидно, что монохроматический свет дает значительно меньшее по площади фокусное пятно.
Газовый лазер, применяемый для резки стекла, тонких пленок и тканей. В ближайшем будущем такие установки будут применяться для раскроя металлических заготовок значительной толщины.
Из геометрической оптики известно, что диаметр пятна света в фокусе тем меньше, чем меньше расходимость светового луча, падающего на линзу. Поэтому-то для поставленной нами цели необходимы параллельные лучи света.
И наконец, яркость нужна для того, чтобы создать в фокусе линзы большую удельную мощность.
Ни один из обычных источников света не обладает этими тремя свойствами одновременно. Источники монохроматического света маломощны, а мощные источники света, такие, как, например, электрическая дуга, имеют большую расходимость.
Однако в 1960 г. советские ученые - физики лауреаты Ленинской и Нобелевской премий Н. Г. Басов и А. М. Прохоров одновременно с лауреатом Нобелевской премии американским физиком Ч. Таунсом создали источник света, обладающий всеми необходимыми свойствами. Его назвали лазер, сокращенно от первых букв английского определения принципа его работы: light amplification by stimulated emission of radiation, т. е. усиление света с помощью стимулированного излучения. Другое название лазера - оптический квантовый генератор (сокращенно ОКГ).
Известно, Что всякое вещество состоит из атомов, а сам атом состоит из ядра, окруженного электронами. В обычном состоянии, которое называется основным, электроны так расположены вокруг ядра, что их энергия минимальна. Чтобы вывести электроны из основного состояния, необходимо сообщить им извне энергию, например осветить. Поглощение электронами энергии происходит не непрерывно, а отдельными порциями - квантами (см. т. 3 ДЭ, ст. "Волны и кванты"). Поглотившие энергию электроны переходят в возбужденное состояние, которое является неустойчивым. Через некоторое время они вновь возвращаются в основное состояние, отдавая поглощенную энергию. Этот процесс происходит не одномоментно. При этом оказалось, что возврат одного электрона в основное состояние и выделение- им при этом кванта света ускоряет (стимулирует) возврат в основное состояние других электронов, которые также выделяют кванты, и притом точно такие же по частоте и длине волны. Таким образом, мы получаем усиленный монохроматический луч.
Принцип работы светолучевого станка рассмотрим на примере ОКГ из искусственного рубина. Этот рубин получен синтетическим путем из окиси алюминия, в которой небольшое число атомов алюминия замещено атомами хрома.
В качестве внешнего источника энергии применяется импульсная лампа 1, подобная той, что используют для вспышки при фотографировании, но значительно более мощная. Источником питания лампы служит конденсатор 2. При излучении лампы атомы хрома, находящиеся в рубине 3, поглощают кванты света с длинами волн, которые соответствуют зеленой и синей частям видимого спектра, и переходят в возбужденное состояние. Лавинообразный возврат в основное состояние достигается с помощью-параллельных зеркал 4. Выделившиеся кванты света, соответствующие красной части спектра, многократно отражаются в зеркалах и, проходя через рубин, ускоряют возврат всех возбужденных электронов в основное состояние. Одно из зеркал делается полупрозрачным, и через него луч выводится наружу. Этот луч имеет очень малый угол расхождения, так как состоит из квантов света, многократно отраженных и не испытавших существенного отклонения от оси квантового генератора (см. рис. на стр. 267).
Такой мощный монохроматический луч с малой степенью расходимости фокусируется линзой 5 на обрабатываемую поверхность и дает чрезвычайно маленькое пятно (диаметром до 5-10 мкм). Благодаря этому достигается колоссальная удельная мощность, порядка 10 12 -10 16 Вт/см 2 . Это в сотни миллионов раз превышает мощность, которую можно получить при фокусировании солнечного света.
Такой удельной мощности достаточно, чтобы в зоне фокусного пятна в тысячные доли секунды испарить даже такой тугоплавкий металл, как вольфрам, и прожечь в нем отверстие.
Сейчас светолучевые станки широко применяются в промышленности для получения отверстий в часовых камнях из рубина, алмазах и твердых сплавах, в диафрагмах из тугоплавких труднообрабатываемых металлов. Новые станки позволили в десятки раз повысить производительность, улучшить условия труда и в ряде случаев изготавливать такие детали,. которые другими методами получить невозможно.
Лазер не только производит размерную обработку микроотверстий. Уже созданы и успешно работают светолучевые установки для резания изделий из стекла, для микросварки миниатюрных деталей и полупроводниковых приборов и др.
Лазерная технология, в сущности, только появилась и на наших глазах становится самостоятельной отраслью техники. Можно не сомневаться, что с помощью человека лазер в ближайшие годы "освоит" десятки новых полезных профессий и станет трудиться в цехах заводов, лабораториях и на стройках наравне с резцом и сверлом, электрическими дугой и разрядом, ультразвуком и электронным лучом.
Электроннолучевая обработка
Задумаемся над проблемой: каким образом крохотный участок поверхности - квадратик со стороной 10 мм - из весьма твердого материала разрезать на 1500 частей? С такой задачей повседневно встречаются те, кто занят изготовлением полупроводниковых приборов - микродиодов.
Эта задача может быть решена с помощью электронного луча - ускоренных до больших энергий и сфокусированных в остронаправленный поток электронов.
Обработка материалов (сварка, резание и т. п.) пучком электронов совсем новая область техники. Она родилась в 50-х годах нашего века. Возникновение новых методов обработки, разумеется, не случайно. В современной технике приходится иметь дело с очень твердыми, труднообрабатываемыми материалами. В электронной технике, например, применяются пластинки из чистого вольфрама, в которых необходимо просверлить сотни микроскопических отверстий диаметром в несколько десятков микрометров. Искусственные волокна изготовляют с помощью фильер, которые имеют отверстия сложного профиля и столь малые, что волокна, протягиваемые через них, получаются значительно тоньше человеческого волоса. Электронной промышленности нужны керамические пластинки толщиной 0,25 мм. На них должны быть сделаны прорези шириной 0,13 мм, при расстоянии между их осями 0,25 мм.
Старой технологии обработки такие задачи не по плечу. Поэтому ученые и инженеры обратились к электронам и заставили их выполнять технологические операции резания, сверления, фрезерования, сварки, выплавки и очистки металлов. Оказалось, что электронный луч обладает заманчивыми для технологии свойствами. Попадая на обрабатываемый материал, он в месте воздействия способен нагреть его до 6000° С (температура поверхности Солнца) и почти мгновенно испарить, образовав в материале отверстие или углубление. В то же время современная техника позволяет довольно легко, просто и в широких пределах регулировать энергию электронов, а следовательно, и температуру нагрева металла. Поэтому поток электронов может быть использован для процессов, которые требуют различных мощностей и протекают при самых разных температурах, например для плавки и очистки, для сварки и резания металлов и т. п.
Электронный луч способен прорезать даже в самом твердом металле тончайшее отверстие. На рисунке: схема электронной пушки.
Чрезвычайно ценно также, что действие электронного луча не сопровождается ударными нагрузками на изделие. Особенно это важно при обработке хрупких материалов, таких, как стекло, кварц. Скорость обработки на электроннолучевых установках микроотверстий и очень узких щелей существенно выше, чем на обычных станках.
Установки для обработки электронным лучом -это сложные устройства, основанные на достижениях современной электроники, электротехники и автоматики. Основная их часть - электронная пушка, генерирующая пучок электронов. Электроны, вылетающие с подогретого катода, остро фокусируются и ускоряются специальными электростатическими и магнитными устройствами. Благодаря им электронный луч может быть сфокусирован на площадке диаметром менее 1 мкм. Точная фокусировка позволяет достигать и огромной концентрации энергии электронов, благодаря чему можно получить поверхностную плотность излучения порядка 15 МВт/мм 2 . Обработка ведется в высоком вакууме (остаточное давление примерно равно 7 МПа). Это необходимо, чтобы создать для электронов условия свободного, без помех, пробега от катода до заготовки. Поэтому установка снабжена вакуумной камерой и вакуумной системой.
Обрабатываемое изделие устанавливают на столе, который может двигаться ло-горизонтали и вертикали. Луч благодаря специальному отклоняющему устройству также может перемещаться на небольшие расстояния (3-5 мм). Когда отклоняющее устройство отключено и стол неподвижен, электронный луч может просверлить в изделии отверстие диаметром 5-10 мкм. Если включить отклоняющее устройство (оставив стол неподвижным), то луч, перемещаясь, будет действовать как фреза и сможет прожигать небольшие пазы различной конфигурации. Когда же нужно "отфрезеровать" более длинные пазы, то перемещают стол, оставляя луч неподвижным.
Интересна обработка материалов электронным лучом с помощью так называемых масок. В установке на подвижном столике располагаю* маску. Тень от нее в уменьшенном масштабе проектируется формирующей линзой на деталь, и электронный луч обрабатывает поверхность, ограниченную контурами маски.
Контролируют ход электронной обработки обычно с помощью оптического микроскопа. Он позволяет точно установить луч до начала обработки, например резания по заданному контуру и наблюдать за процессом. Электроннолучевые установки часто оснащаются программирующим устройством, которое автоматически задает темп и последовательность операций.
Обработка токами высокой частоты
Если тигель с помещенным в нем куском металла обмотать несколькими витками провода и пустить по этому проводу (индуктору) переменный ток высокой частоты, то металл в тигле начнет нагреваться и через некоторое время расплавится. Такова принципиальная схема применения токов высокой частоты (ТВЧ) для нагрева. Но что при этом происходит?
Например, разогреваемое вещество - проводник. Переменное магнитное поле, которое появляется при прохождении переменного тока по виткам индуктора, заставляет электроны свободно двигаться, т. е. порождает вихревые индукционные токи. Они и разогревают кусок металла. Диэлектрик же разогревается за счет того, что магнитное поле колеблет в нем ионы и молекулы, "раскачивает" их. А ведь вы знаете, что чем быстрее движутся частицы вещества, тем выше его температура.
Принципиальная схема действия установки для нагрева изделий токами высокой частоты.
Для высокочастотного нагрева сейчас наиболее широко применяются токи с частотой от 1500 Гц до 3 ГГц и выше. При этом нагревательные установки, использующие ТВЧ, нередко имеют мощность в сотни и тысячи киловатт. Их конструкция зависит от размеров и формы нагреваемых объектов, от их электрического сопротивления, от того, какой нагрев требуется - сплошной или частичный, глубокий или поверхностный, и от других факторов.
Чем больше размеры нагреваемого объекта и чем выше электрическая проводимость материала, тем более низкие частоты можно применять для нагрева. И наоборот, чем меньше электрическая проводимость, чем меньше габариты нагреваемых деталей, тем более высокие частоты необходимы.
Какие же технологические операции в современной промышленности осуществляются с помощью ТВЧ?
Прежде всего, как мы уже говорили, плавка. Высокочастотные плавильные печи сейчас работают на многих предприятиях. В них выплавляют высококачественные сорта стали, магнитные и жаростойкие сплавы. Часто плавка производится в разреженном пространстве - в глубоком вакууме. При вакуумной плавке получаются металлы и сплавы наивысшей чистоты.
Вторая важнейшая "профессия" ТВЧ - закаливание металла (см. ст. "Защита металла").
Многие важные детали автомобилей, тракторов, металлорежущих станков и других машин и механизмов теперь закаливаются токами высокой частоты.
Нагрев ТВЧ позволяет получить высококачественную скоростную пайку различными припоями.
ТВЧ нагревают стальные заготовки для обработки их давлением (для штамповки, ковки, накатки). При нагреве ТВЧ не образуется окалины. Это экономит металл, увеличивает срок службы штампов, улучшает качество поковок. Облегчается и оздоровляется труд рабочих.
До сих пор мы говорили о ТВЧ в связи с обработкой металлов. Но этим не ограничивается круг их " деятельности ".
Очень широко применяются ТВЧ и для обработки таких важных материалов, как пластмассы. На заводах пластмассовых изделий в установках ТВЧ нагревают заготовки перед прессованием. Хорошо помогает нагрев ТВЧ при склеивании. Многослойные небьющиеся стекла с пластмассовыми прокладками между слоями стекла изготавливают при нагреве ТВЧ в прессах. Так же, кстати, нагревают древесину при изготовлении древесностружечных плит, некоторые сорта фанеры и фасонные изделия из нее. А для сварки швов в изделиях из тонких листов пластмасс применяют специальные машины ТВЧ, напоминающие швейные. Этим способом изготавливают чехлы, футляры, коробки, трубы.
Последние годы все шире применяется нагрев ТВЧ в стекольном производстве - для сварки различных стеклянных изделий (труб, пустотелых блоков) и при варке стекла.
Нагрев ТВЧ имеет большие преимущества перед другими методами нагрева еще и потому, что в ряде случаев основанный на нем технологический процесс лучше поддается автоматизации.
Различают три основных направления:
- Формоизменение при помощи высокоточных методов пластического деформирования.
- Применение традиционных способов металлообработки, но отличающихся повышенной точностью и производительностью.
- Использование высокоэнергетических методов.
Выбор оптимального метода обработки определяется производственными требованиями и серийностью производства . Например, переутяжелённые конструкции оборудования вызывают повышенный расход энергии, а сниженная точность изготовления отдельных деталей и узлов – низкую производительность техники. Некоторые технологии не могут обеспечить необходимые прочностные свойства и микроструктуру металла, что в итоге сказывается на долговечности и стойкости деталей, пусть даже и изготовленных с минимальными допусками. Новая технология обработки металла основана на использовании нетрадиционных источников энергии, которые обеспечивают его размерное плавление, испарение или формообразование.
Мехобработка, связанная со снятием стружки, развивается в направлении изготовления особо высокоточных изделий преимущественно в мелкосерийном производстве. Поэтому традиционные станки уступают место оперативно переналаживаемым металлообрабатывающим комплексам с ЧПУ. Сравнительно невысокий коэффициент использования материала (при мехобработке он редко когда превышает 70…80% ) компенсируется минимальными допусками и высоким качеством финишной поверхности изделий.
Производители систем с числовым управлением делают основной упор на расширенные технологические возможности рассматриваемого оборудования, использовании современных высокостойких инструментальных сталей и исключении ручного труда оператора. Все подготовительно-заключительные операции на таких комплексах выполняет робототехника.
Энергосберегающие методы пластического деформирования металлов
Технология обработки металлов давлением, кроме повышенного коэффициента использования металла, обладает и другими существенными достоинствами :
- В результате пластического деформирования улучшается макро- и микроструктура изделия;
- Производительность оборудования для штамповки в разы превышает аналогичный показатель для металлорежущих станков;
- После обработки давлением повышается прочность металла, возрастает его стойкость от динамических и ударных нагрузок.
Прогрессивные процессы холодной и полугорячей штамповки – дорнование, точная резка, выдавливание, ультразвуковая обработка, штамповка в состоянии сверхпластичности, жидкая штамповка. Многие из них реализуются на автоматизированном оборудовании, оснащаемом компьютерными системами контроля и управления. Точность изготовления штампованных изделий во многих случаях не требует последующей их доводки – правки, шлифования и т.д.
Высокоэнергетические способы формоизменения
Высокоэнергетические технологии применяются в тех случаях, когда традиционными методами изменять форму и размеры металлической заготовки невозможно.
При этом используются четыре вида энергии :
- Гидравлическая - давления жидкости, либо отдельных элементов, приводимых ею в движение.
- Электрическая , при которой все процессы съёма материала выполняются с помощью разряда – дугового или искрового.
- Электромагнитная , реализующая процесс металлообработки при воздействии на заготовку электромагнитного поля.
- Электрофизическая , действующая на поверхность направленным лучом лазера.
Существуют и успешно развиваются также комбинированные способы воздействия на металл, при которых используются два и более источника энергии.
Основана на поверхностном воздействии жидкости высокого давления. Подобные установки применяются, в основном, с целью повышения качества поверхности, снятия микронеровностей, очистки поверхности от ржавчины, окалины и т.п. При этом струя жидкости может воздействовать на изделие как непосредственно, так и через абразивные компоненты, находящиеся в потоке. Абразивный материал, содержащийся в эмульсии, постоянно обновляется, чтобы обеспечить стабильность получаемых результатов.
– процесс размерного разрушения (эрозии) поверхности металла при воздействии на него импульсного, искрового или дугового разряда. Высокая плотность объёмной тепловой мощности источника приводит к размерному плавлению микрочастиц металла с последующим выносом их из зоны обработки потоком диэлектрической рабочей среды (масла, эмульсии). Поскольку при металлообработке одновременно происходят процессы локального нагрева поверхности до весьма высоких температур, то в результате твёрдость детали в зоне обработки существенно увеличивается.
Заключается в том, что обрабатываемое изделие помещается в мощное электромагнитное поле, силовые линии которого воздействуют на заготовку, помещённую в диэлектрик. Таким способом производят формовку малопластичных сплавов (например, титана или бериллия), а также листовых заготовок из стали. Аналогичным образом на поверхность действуют и ультразвуковые волны , генерируемые магнитострикционными или пьезоэлектрическими преобразователями частоты. Высокочастотные колебания применяются также и для поверхностной термообработки металлов.
Наиболее концентрированным источником тепловой энергии является лазер. – единственный способ получения в заготовках сверхмалых отверстий повышенной размерной точности. Ввиду направленности теплового действия лазера на металл, последний в прилегающих зонах интенсивно упрочняется. Лазерный луч способен производить размерную прошивку таких тугоплавких химических элементов, как вольфрам или молибден.
– пример комбинированного воздействия на поверхность химическими реакциями, возникающими при прохождении через заготовку электрического тока. В результате происходит насыщение поверхностного слоя соединениями, которые могут образовываться лишь при повышенных температурах: карбидами, нитридами, сульфидами. Подобными технологиями может выполняться поверхностное покрытие другими металлами, что используется для производства биметаллических деталей и узлов (пластин, радиаторов и т.д.).
Современные технологии обработки металлов непрерывно совершенствуются, используя новейшие достижения науки и техники.
Для удобства изучения множества новых технологий обработки металлов , которые используются в современности, их принято разделять на виды и методы.
Самым часто применяемым методом является механический, но его главным недостатком становится большое количество отходов при обработке. Так, например, штамповка – наиболее экономичный метод. Но в современном и развивающемся мире появляются новые методы, более экономичные, безопасные и эффективные. Таковыми являются методы, связанные с физическими свойствами металлов и химическими реакциями.
Новые технологические методы обработки металлов
Технологии электроэрозионного метода обработки
Данная новая технология обработки металла основана на действии уменьшенного электрического разряда. Благодаря данной обработке создаются сложнейшие детали и заготовки, используемые в аппаратах и машинах. Для работы необходимо обеспечить безопасность сотрудников, так как температура в местах плавления металла может достигать до 10000 градусов по Цельсию. Такая температура просто испаряет металл и позволяет при помощи технологии выполнять самые сложные и причудливые детали.
Сейчас эта технология используется почти во всех производствах, но особенно распространена в машиностроении и авиастроении. Мелкие детали, используемые в двигателях и турбинах, производятся именно с помощью этого оборудования.
Подобные станки производятся отечественными заводами, при этом спектр выпускаемого оборудования очень широк: от оборудования для производства малых деталей до обработки крупных несколькотонных запчастей. Ознакомиться с ним можно на нашей выставке.
Технологии с использованием Ультразвука
При помощи оборудования имеется возможность создания ультразвуковых волн и инфразвуковых колебаний. И те и другие колебания полностью безвредны для восприятия человеком, но в промышленности они находят широкое применение и подходят для работы с различными металлами – и с хрупкими и с твердыми. Сердцем станка является специальный преобразователь, который превращает электрический ток в высокочастотные колебания. Происходит это за счет движения тока по обмотке и создания переменного магнитного поля, которое колеблет преобразователь. Из колеблющегося преобразователя и исходит ультразвук. Также используются специальные преобразователи, которые способны изменять амплитуды большого колебания в амплитуды малые и наоборот. К торцу волновода крепится приспособление необходимой формы, обычно форма приспособления совпадает с формой необходимого отверстия.
Подобные станки чаще всего используют для изготовления матриц и их повторной обработки, а также для выполненных из феррита ячеек памяти для различных микросхем и полупроводниковых приборов. Это далеко не весь спектр работ, производимых с помощью ультразвука. Еще возможны работы по сварке, мойке, очистке и контролю измерений. Причем вся работа, производимая оборудованием на ультразвуке, эффективна и качественна. С ультразвуковым оборудованием можно познакомиться на выставочных экспозициях.
Новые технологии электрохимической обработки
В производстве обычно используют электролиз. Это реакция, при которой ионы, полученные от растворенного вещества, движутся к катоду и аноду в зависимости от того, положительно или отрицательно они заряжены. Продукты произошедшей в результате этого реакции либо оседают на электродах, либо превращаются в раствор.
При помощи электролиза изготавливают рельефные слепки различных моделей из металла, а также декоративные покрытия для изделий, получают металлы из воды и руд. Эта же новая технология обработки металла используется на производствах хлора.
Благодаря технологии с использованием электролиза можно без особых временных затрат организовывать производство запчастей любой формы и сложности. Проделывать пазы в деталях и разрезать уже имеющиеся заготовки. Существуют различные станки, которые применяют данный метод обработки. Главным преимуществом использования этого оборудования является возможность обработки любого металла, а также неизнашиваемость катода в процессе работы с металлом.