Электрические эрозии

Удельная мощность пучка электронов весьма велика (табл.25).

Таблица 25

Удельная мощность пучка  электронов при различных источниках энергии

 

Источник энергии	Поперечное сечение пучка, мм³, не менее	Удельная мощность, кВт\мм²
Сварочное пламя Электрическая дуга Электронный луч	1 0,1 1-6	0,5 1 5000

 

 

А)                                           б)                            в)

Рис. 51. Механизм удаления вещества сфокусированным пучком электронов

 

На рис. 51 показан механизм удаления вещества сфокусированным пучком электронов. Из-за неравномерного распределения плотности энергии по сечению пучка (область в центре пучка с высокой плотностью окружена областью с меньшей плотностью) и более интенсивному выделению тепла во внутренних слоях расплавление твердого тела начинается в зоне, расположенной по оси симметрии пучка электронов и на небольшом расстоянии от наружной поверхности заготовки (рис. 51,а, б). За счет торможения электронов заготовка на этом микроучастке в зоне 1 нагревается до температуры, при которой разрушаются молекулярные связи. Атомы уже не удерживают друг друга, и по оси симметрии возникает импульс высокого давления, создающий условия для взрывообразного испарения (рис. 51,в). За счет лавинообразного нарастания плотности электронного пучка процесс удаления вещества Происходит с взрывообразным испарением частиц материала в виде центральной струи факела. После каждого импульса на поверхности образуется небольшая лунка — кратер. Площадь кратера возрастает в зависимости от плотности электронного пучка и длительности импульса. В результате диаметры отверстий, получаемых электронно-лучевым методом, при больших по времени импульсах получаются большими. Глубина кратера при действии электронного пучка в значительной степени зависит от теплофизических свойств материала: в менее тугоплавких материалах глубина кратера при прочих равных условиях больше. Прочность и твердость материала существенного влияния не оказывают.

Благодаря кратковременности действия электронных лучей и большой плотности потока излучения обрабатываемый материал плавится и испаряется столь быстро, что тепло не успевает распространиться в стороны от места падения луча (практически зона плавления не больше поперечного сечения луча в месте попадания его на заготовку). В направлении излучения луч электронов действует на гораздо большую глубину, равную примерно 100 диаметрам луча. Таким образом, электронным лучом можно резать материалы без образования дефектного слоя, практически без  отходов и с высокой производительностью. Электронным лучом обрабатывают детали из вольфрама, титана, твердых сплавов, синтетических камней, осуществляется сварка и пайка.

 

 

 

 

 

 

 

 

Рис. 52. Схема управления перемещением электронного луча

 

 

Ввиду малого диаметра пучка электронных лучей,   локальности действия создаваемого ими тепла и отсутствия влияния износа инструмента можно получить при обработке высокую точность размеров и малую шероховатость   поверхности.   Пучки   электронов диаметром 5 мкм позволяют производить прецизионную обработку с точностью ±1 мкм. Пучком электронов на доводочных режимах можно получать поверхности с высотой микронеровностей до 1 мкм.   Пучком электронов   легко управлять, воздействуя на отклоняющие катушки 1 (рис. 52). Резку по кон туру можно осуществлять, используя механические перемещении стола с обрабатываемой заготовкой.

Электронно-лучевой метод особенно эффективен при обработке малых  отверстий и узких щелей в  фильерах и других деталях. Использование  электронных лучей для резания  материалов ограничивается их толщиной. Такие материалы, как ферриты, легированные стали толщиной  до  нескольких  миллиметров,  режутся сравнительно хорошо. Например, стальной лист толщиной 1 мм можно резать со скоростью 20 мм/с при относительно небольшом потреблении энергии. Время обработки зависит от ряда факторов обрабатываемого материала, площади обрабатываемой поверхности и др. Например, для обработки паза  шириной 0,05 мм и длиной 3 мм в стальной пластине толщиной 0,5 мм требуется около 20 с

3. УСТАНОВКИ ДЛЯ ЛУЧЕВОЙ ОБРАБОТКИ МАТЕРИАЛОВ

 

Отечественной промышленностью выпускается  множество различных установок  и станков для  лазерной и электронно-лучевой  обработки.

Таблица 26

Технические данные лазерных установок для обработки отверстий

 

 

Тип установки	Энергия излучения в импульсе, Дж	Частота следования импульсов, Гц	Длительность импульса, мс	Диаметр обрабатываемой зоны, мкм	Потребляемая мощность, Вт
К-3М «Луч-1М» «Луч-10» «Поток-3» «Квант-3» «Корунд» «Квант-9»	1,5 2-3 1-2 1 15 0,5 10	Одиночный 3 10 1 1 10 1	0,5—0,8 2 0,5—3 2 0,5—5 0,15 0,5	2—150 30—150 2—200 20—150 5—300 50—100 5—1000	500 1500 1200 1500 2000 - -

 

 

Технические характеристики некоторых  установок для лазерной   обработки  отверстий приведены в табл. 26. Для обработки отверстий широко используют установку «Квант-9», состоящую из твердотельного лазерного излучателя, оптической системы,   источника питания, системы управления и системы охлаждения. Установка «Квант-9» показана на рис. 53, схема излучателя и оптической системы установки дана на рис. 54.

Лазерный излучатель состоит из оптического резонатора, образованного зеркалами 1 и 3, и твердотельного активного элемента 2, изготовленного из стекла с неодимом. Элементы 4, 5, 13, 14 и 18 обеспечивают фокусировку лазерного излучения на обрабатываемой заготовке 21.

 

 

 

 

 

 

 

 

Рис. 53. Установка «Квант-9»:

1— излучатель;    2 — оптическая   система; 3 — система   управления; 4 — источник питания; 5 — система    охлаждения

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Рис. 54. Схема оптической системы установки «Квант-9»

 

 

 

 

 

 

 

Плоскопараллельная пластина 17 защищает объектив 18 от засорения и загрязнения испаряющимися из зоны обработки материала веществами. Для наблюдения за обрабатываемой заготовкой сверху служит микроскоп, состоящий из объектива 18, линзы 12, светофильтра 9, сетки с перекрестием 10 и окуляра 11. Для наблюдения за заготовкой сбоку использую i второй микроскоп. В состав этого микроскопа входят защитное стекло 23, поворотная призма 24, объективы 25 и 15, подвижный фокусирующий элемент 6, зеркало 7. С помощью светоделительного куба 8 поле зрения   второго микроскопа совмещено с полем зрения первого микроскопа, что позволяет использовать для наблюдения за заготовкой сверху и сбоку одни и те же элементы 9 я 11. Для освещения обрабатываемой заготовки служат лампа 19, линза 20 и фокон 22. Заслонка 16 предназначена для переключения наблюдательных ветвей оптической системы.

Для накачки активного элемента в установке «Квант-9» применена  импульсная лампа ИФП-1200, напряжение на которую подается от источника  питания типа ИП-1. Источник питания состоит из повышающего трансформатора и батареи накопительных конденсаторов емкостью 800 мкФ. Система управления СУМ-5 задает частоту следования разрядных импульсов и производит их счет, также обеспечивает плавную регулировку и стабилизацию напряжения на накопительных конденсаторах в диапазоне 200—2000 В Из оборудования, предназначенного для электронно-лучевой об работки, можно рассмотреть универсальную электронную установку ЭЛЦРО. Установка предназначена для обработки микроотверстий, вырезания мелких деталей, микросварки, в том числе жаростойких сталей и сплавов. В процессе обработки   могут   быть применены программные устройства для управления движениями стола и электронного пучка. Наименьший диаметр обрабатываемого отверстия или ширина щели 0,01 мм. Наибольшая глубина 2 мм, размеры рабочей поверхности стола 200x250 мм, точность перемещения стола ±3 мкм.

Промышленность выпускает гамму   электронно-лучевых   сварочных установок моделей ЭЛУ-1, ЭЛУ-2, ЭЛУ-4, У-ЗМ2, У-86 и др

 

Техническая характеристика электронно-лучевой установки ЭЛУ-2

 

Рабочий вакуум, Па    Тип электронной пушки   Мощность в пучке, кВт, не более  Скорость сварки, м/ч   Габаритные размеры вакуумной  камеры,  мм (диаметр X длина) *

6-10—3 ЭП-25 1,5 До 40     500x400

 

 

В ЭНИМСе разработаны лазерные станки мод. 4222 и 4222Ф2, в которых применена проекционная схема локализации излучении на заготовку, допускающая плавное изменение диаметра световом' пятна в зоне обработки в пределах 0,02—0,2 мм. Система наблюдения обеспечивает непрерывный контроль обработки и снабжена двумя сменными оптическими головками. При изготовлении деталей оптические устройства позволяют рассматривать заготовку трех проекциях (снизу, сверху и сбоку), что способствует получению высокой точности геометрических размеров. Схема управления станками допускает как ручной, так и автоматический режим боты. При многоимпульсном сверлении или многопроходной резки материалов возможно заранее устанавливать нужное число импульсов (число проходов), причем энергию лазера можно при необходимости увеличивать от импульса к импульсу или от прохода проходу. Станок мод. 4222Ф2 оснащен системой ЧПУ и предназначен для прошивания прямоугольной сетки отверстий с высокой точностью. Система ЧПУ управляет квантовым генератором и двухкоординатным столом, имеющим привод на шаговых двигателях. Станок обеспечивает прошивку до 106 отверстий в одной детали с межосевым расстоянием 0,5—2,5 мм, изменение числа импульсов на обработку одного отверстия от 1 до 5. При одноимпульсной работке производительность станка 9000 отверстий в час при межосевом расстоянии 1,5 мм. Максимальное перемещение стола 0X300 мм.

Техническая характеристика станка мод. 4222

Энергия излучения, Дж                                    До 3

Длительность импульса, мке                        100—500

Частота следования импульсов, Гц             2, 4, 8

Диаметр обрабатываемых отверстий, мкм  20—1000

Глубина резания, мм, не более                         До 3

Напряжение сети, В                                               380

Потребляемая мощность, кВт . .  .                            3

Габаритные размеры, мм: станка      .                                                   1410x1245x650

блока питания                                        1000x920x570

 

 

 

ГЛАВА ТРЕТЬЯ

УЛЬТРАЗВУКОВАЯ ОБРАБОТКА МАТЕРИАЛОВ 1. УЛЬТРАЗВУКОВЫЕ КОЛЕБАНИЯ

 

Ультразвуковыми называются упругие колебания материальной среды с частотой, превышающей верхний предел слышимости человеческого уха (св. 18 000 Гц). Ультразвуковая энергия передается в виде волны, которую на графике можно представить гармонической кривой (рис. 55). Здесь по оси абсцисс отложено расстояние по направлению распространения волны, а по оси ординат — смещение частиц от их первоначального  положения.   Основными причинами, характеризующими гармонические колебания, являются: X — длина волны, расстояние между двумя смежными точками, находящимися в одной фазе; А — амплитуда колебаний, на большее смещение колеблющейся точки от положения равновесия — частота колебаний, число колебаний в единицу времени; Т\ период колебаний, время распространения   волнового   движения на расстояние, равное длине волны в секундах или долях секунды. Период колебаний Т является величиной, обратной   частоте.

 

 

Рис. 55. График волнового  движения

 

 

 

 

 Рис. 56. Виды ультразвуковых волн:

1 — продольные;      2 — поперечные; 3 — поверхностные

Скорость распространения звуковых волн С связана с длиной волны и частотой колебаний

Малые длины волн дают возможность ультразвуку распространяться в средах направленными пучками, получившими название ультразвуковых лучей. Ультразвуковые лучи получают увеличением частоты колебаний. Так, например, при частоте колебаний 100 кГц в твердом теле длина волны будет около 4 см. При волновом движении материальной точки в каждый момент времени частица обладает определенным значением смещения, скорости ускорения. В момент времени t мгновенное значение смещения=As\na>t, где со — круговая частота 2я/, т. е. число колебаний время 6,28 с.

Скорость колеблющейся частицы vT=A(dcosa)t, ускорение а, = соМ sin (ot — Лео2.

Ультразвуковые волны могут распространяться в любых упругих средах: жидких, твердых и газообразных. Различают три ультразвуковых волн — продольные, поперечные и поверхностные (рис. 56). В твердых телах могут распространяться волны всех трех видов, в жидких и газообразных — лишь продольные.

Если к какому-нибудь твердому телу приложить силу, то в ней произойдут деформации, т. е. некоторое смещение одних частиц отношению к другим. В результате может измениться как объем так и форма тела. Таким образом, твердые   тела   обладают только объемной упругостью, но и упругостью формы. Поэтому твердых телах наряду с нормальными могут возникать и касательные напряжения сдвига, а вместе с ними и поперечные волны. При воздействии механической силы на газы и жидкости   происходит