Прошивка титана лазером

Содержание

Введение          4

1 Процесс прошивки титана         5

1.1 Физические и механические свойства титана     5

1.2 Лазерная прошивка отверстий       11

2 Лазерная установка для прошивки титана     17

2.1 Выбор оптимальной лазерной установки     17

2.2 Описание лазерной установки       19

2.3 Позиционер FMark        24

Заключение          27

Список литературы         29

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Введение

Промышленная  обработка материалов стала одной  из областей наиболее широкого использования  лазеров. До появления лазеров основными  тепловыми источниками для технологической  обработки являлись газовая горелка, электродуговой разряд, плазменная дуга и электронный поток. С появлением лазеров, излучающих большую энергию, оказалось возможным создавать  на обрабатываемой поверхности высокие  плотности светового потока. Роль лазеров как световых источников, работающих в непрерывном, импульсном режимах или в режиме гигантских импульсов, состоит в обеспечении  на поверхности обрабатываемого  материала плотности мощности, достаточной  для его нагревания, плавления  или испарения, которые лежат  в основе лазерной технологии.

В настоящее  время лазер успешно выполняет  целый ряд технологических операций и, прежде всего таких, как резка, сварка, сверление отверстий, термическая  обработка поверхности, скрайбирование, маркировка, гравировка и т. п., а  в ряде случаев обеспечивает преимущества по сравнению с другими видами обработки. Так, сверление отверстий  в материале может быть выполнено  быстрее, а скрайбирование разнородных  материалов является более совершенным. Кроме того, некоторые виды операций, которые раньше выполнить было невозможно из-за трудной доступности, выполняются  с большим успехом. Например, сварка материалов и сверление отверстий  могут выполняться через стекло в вакууме или атмосфере различных  газов.

Прошивка отверстий лазером  – известный технологический  процесс, но обычно он выполняется излучением импульсных лазеров с высокой  энергией в импульсе. Основной механизм процесса – испарительный; обрабатываемый материал просто испаряется без образования  жидкой фазы. Эта технология используется в основном для решения специальных  задач, например, формирования микроканалов охлаждения в лопатках турбин. Для  более массовых применений производительность и стоимость такого процесса оказывается  неудовлетворительной.

Цель курсового проекта  – рассчитать оптимальный режим  прошивки пятидесяти отверстий в тонкостенной гильзе из титана, в соответствии с расчетами выбрать установку КПЭ и спроектировать специализированную оснастку.

Пояснительная записка курсового  проекта состоит из двух глав. В  первой главе работы дана характеристика титана и раскрывается понятие лазерной прошивки отверстия. Во второй главе приводится подробный теоретический расчет параметров оптимальной лазерной установки для прошивки титана, описывается устройство и принцип действия выбранной установки и необходимой оснастки.

1 Процесс прошивки титана

1.1 Физические и механические свойства титана

Титан и его сплавы обладают прочностью до 140 кг/мм². В этом отношении они стоят в одном ряду с большинством марок легированных сталей. Удельный вес титана составляет 56% удельного веса стали, а по коррозионной стойкости он не уступает платине. По распространенности в земной коре титан занимает среди всех элементов девятое место.

Объемно-центрированная кубическая решетка представляет собой куб, в каждом углу и центре которого находится по одному атому. Для титана сторона элементарной ячейки равна 3,3065 А.

Температура плавления. Температура  плавления титана равна 1668 °С. Она превышает температуру плавления стали приблизительно на 200 °С и температуру плавления алюминия на 1100 °С.

Удельная теплоемкость. Удельная теплоемкость титана равна 0,142 кал/г град (значения удельной теплоемкости для нержавеющей стали и алюминия соответственно равны 0,11 и 0,214 кал/г град).

У титана два электрона  находятся на третьей оболочке и  два на четвертой. Если в металлах электроны начинают размещаться  на внешних оболочках еще до окончательного заполнения внутренних оболочек, то такие  металлы называют переходными. Необычные  физические свойства титана объясняются  подобным расположением электронов. Из других переходных металлов можно  назвать хром, марганец, железо, кобальт  и никель.

Атомный вес титана равен 47,88, тогда как для алюминия он составляет 26,97, а для железа — 55,84.

Структура кристаллической  решетки. Кристаллическую структуру  можно представить себе как физически  однородное тело, в котором атомы  располагаются в периодическом  порядке. Подобное расположение атомов определяет физические свойства металлов. Металлы кристаллизуются по большей  части в кубической объемно-центрированной или гранецентрированной и в  гексагональной плотно упакованной  решетках.

Рентгеновское исследование титана показало, что до температуры  около 882° С титан имеет плотно упакованную гексагональную структуру, известную под названием а-модификации.

Коэффициент линейного расширения. Титан имеет незначительный коэффициент  линейного расширения, равный 9 * 10 -6 (для нержавеющей стали, меди и  алюминия значения этого коэффициента соответственно равны 14; 29,7 и 25,2 * 10 -6).

Теплота сгорания. При сжигании или окислении металлов происходит выделение тепла. Количество теплоты, выделяемое при полном окислении  единицы массы металла, называется его теплотворной способностью. Для  титана эта характеристика составляет 218 ккал/моль.

Электропроводность и  удельное электросопротивление. Движение электронов в металле, вызываемое разностью  потенциалов, известно под названием  электропроводности. На эту электрическую  характеристику большое влияние  оказывает атомная структура  металла. Титан — плохой проводник  электричества. Если электропроводность меди считать равной 100%, то электропроводность титана составит 3,1%. Отсюда следует, что  титан нельзя применять в тех  случаях, когда проводимость является фактором первостепенной важности. В  целях сопоставления можно указать, например, что электропроводность нержавеющей  стали составляет 3,5% (электропроводности меди), а алюминиевого сплава 75ST 30%.

Электрическое сопротивление  материала есть сопротивление потоку электронов. Поскольку титан принадлежит  к числу плохих проводников, он должен обладать высоким электрическим  сопротивлением. Удельное электросопротивление титана при 20 °С равно 42 * 10 -6 Ом см (для нержавеющей стали и алюминия соответствующие значения составляют 49,5 и 3,96 * 10 -6 Ом см).

Магнитные свойства. Если металл поместить в магнитное поле, то на него будет действовать сила. Степень намагничения можно определить путем измерения действующей  силы и деления ее на величину магнитного поля, зависящую от магнитной восприимчивости, которая является характеристикой  металла. По величине магнитной восприимчивости, изменяющейся в широких пределах, все металлы можно разделить  на три категории: 1) диамагнитные вещества, для которых К имеет малое  отрицательное значение, так что  в магнитном поле они подвержены слабому отталкиванию (медь, серебро, золото и висмут); 2) парамагнитные  вещества, для которых К имеет  малое положительное значение, так  что они слабо притягиваются  магнитным полем (щелочные и щелочноземельные металлы, а также неферромагнитные переходные металлы, в том числе и титан); 3) ферромагнитные вещества с большой положительной величиной магнитной восприимчивости К (железо, кобальт, никель и галлий). Важной особенностью металлов третьей группы, не считая сильного притяжения в магнитном поле, является то, что эти металлы остаются намагниченными и после их удаления из магнитного поля.

Прочность титана при растяжении. Нелегированный титан может обладать прочностью при растяжении от 24,5 кг/мм2 для металла высокой степени  чистоты, получаемого методами термического разложения иодида титана, до 70 кг/мм2 для  металла повышенной твердости, получаемого из губки. Фирма Рем-Крю выпускает технически чистый металл двух марок (RC-A-55 и RC-A-70) с номинальным пределом текучести 38,5 и 49 кг/мм2.

Фирма «Рипаблик Стил» подобным же образом производит титан марок RS 40, RS 55 и RS 70, а «Тайтениум Металз» — Ti 75A и Ti 100A с номинальным пределом прочности при растяжении 56 и 70 кг/мм2. Фирма «Мэллори-Шарон» выпускает нелегированный переплавленный в дуговых печах титан 3-го сорта с номинальным пределом прочности 52,5 кг/мм2 и пределом текучести 35 кг/мм2. Нелегированный титан этой фирмы, переплавленный в индукционных печах (4-го сорта), имеет предел прочности при растяжении 70 кг/мм2 и предел текучести 60 кг/мм2.

Пластичность. Пластичность можно определить, как способность материала деформироваться без разрушения. Пластичный материал легко поддается таким видам холодной обработки, как гибка, глубокая вытяжка и выдавка.

Технически чистый титан, переплавленный в дуговых печах, обладает в зависимости от содержания примесей следующими показателями пластичности: относительным удлинением 20—40% и  поперечным сужением 45—65%. Иодидный титан  обладает относительным удлинением до 55% и сужением поперечного сечения  до 80%.

Как и в случае стали, титан  в целях упрочнения легируют другими  металлами. Добавки алюминия, ванадия, хрома, железа, марганца и олова вводятся отдельно и в сочетании друг с  другом.

Однако в этом случае повышение  прочности достигается за счет снижения пластичности. О легировании титана подробнее говорится далее, здесь  же достаточно ограничиться указанием  на то, что созданы титановые сплавы с пределом прочности свыше 140 кг/мм2, обладающие удовлетворительной пластичностью (относительное удлинение до 15%).

Прочность промышленных сплавов  титана колеблется от 70 до 105 кг/мм2. Эти  сплавы выплавляются в дуговых печах  и обладают удовлетворительной пластичностью (10—20%). Сплавы, выплавленные в индукционных печах, обладают гораздо более высокой  прочностью, но их пониженная пластичность делает их пригодными для использования  только в ограниченных целях.

Твердость. Титан значительно  тверже алюминия и по твердости приближается к некоторым термически обработанным легированным сталям. Иодидный титан  имеет твердость 90, тогда как твердость нелегированного технического титана составляет около 160 единиц, а для сплавов после термообработки 250—500 единиц по Hv. Типичный промышленный сплав с пределом текучести около 90 кг/мм2 может иметь твердость до 320 единиц по Hv.

Сопротивление удару. Для  многих случаев применения металлов мало знать только их прочность и  пластичность. Часто бывают нужны  сведения и об их вязкости. Титан  принадлежит к числу немногих металлов, которые наряду с высокой  прочностью и пластичностью обладают еще хорошей вязкостью. Здесь  под вязкостью понимается способность  материала противостоять ударным  нагрузкам.

Наиболее распространенными  методами определения ударной вязкости является испытание надрезанных  стандартных образцов Шарпи и  Изода с их разрушением при  изгибе. Работа разрушения образцов Шарпи  из иодидного титана высокой степени  чистоты может достигать 14 кгм, составляя  около 4 кгм для образцов из нелегированного  титана и всего 0,15—0,30 кгм для  образцов из некоторых высокопрочных, но хрупких сплавов титана. Сейчас в промышленных масштабах выпускаются  сплавы с пределом текучести 91 кг/мм2 и ударной вязкостью по Шарпи  до 3,5 кгм.

В результате проводимой экспериментальной  работы, видимо, скоро начнется производство еще более вязких и прочных  технических сплавов титана.

Предел выносливости. Данных о пределе выносливости титана опубликовано мало, да к тому же они в значительной степени противоречивы. Однако можно  утверждать, что титан обладает отличной выносливостью. Испытания показывают, что предел выносливости составляет 60% предела прочности, но для образцов из нелегированного титана с острым надрезом эта цифра снижается  до 32%. У сплавов титана предел выносливости достигает 47% предела прочности (у  стали он равен 50%).

Ползучесть. Если материал подвергнуть  действию постоянной нагрузки, то он с  течением времени пластически деформируется. Удлинение материала под постоянной нагрузкой называется ползучестью, причем предел ползучести определяется как прочность, необходимая для  того, чтобы получить определенное удлинение за установленное время.

Отсутствие достаточных  данных о ползучести титана пока не позволяет вынести окончательное  суждение об этой его характеристике. Первые исследования показали, что  нелегированный титан обладает плохим сопротивлением ползучести, хотя сплавы титана в этом отношении имеют  лучшие характеристики; некоторое улучшение  их ползучести достигается путем  наклепа.

Влияние температуры и  наклепа на механические свойства. С повышением температуры уменьшается  не только предел ползучести, но и пределы  прочности, текучести, усталости, а  также твердость. Повышение температуры  мало сказывается на величине модуля упругости, но сопровождается улучшением вязкости и пластичности.