Технология машиностроения — это наука об изготовлении машин требуемого качества в установленном производственной программой качестве и в заданные сроки при наименьших затратах живого и общественного труда, т.е. при наименьшей себестоимости.
Понятие технологии обработки металлов охватывает широкий спектр работ с металлом, начиная от изготовления исходных заготовок и заканчивая создания конкретных деталей, узлов и механизмов. Широкий ряд выполняемых задач требует наличие целого ряда различных процессов обработки, инструмента, знаний и навыков.
Современные достижения металлообработки стали возможными благодаря накоплению знаний и навыков человека на протяжении тысячелетий. Современный парк машин для обработки металла включает станки, способные с высокой точностью создать конечный продукт из необработанной заготовки. Многочисленные технологии обработки металлов можно разбить на три группы: формообразование, обработка резанием, сборка.
В промышленности широко используются различные методы обработки металлов, как правило, принцип их действия заключается в применении давления, температуры или режущих инструментов к заготовке. Выполняются все процессы при помощи специальных станков и установок, которые, как правило, приводит в действие определенный источник энергии.
1. Механообработка
Механообработка — это технологический процесс, использующийся для придания детали нужной функциональной формы и размера с помощью механического воздействия с применением резца, сверла, фрезы и другого режущего инструмента. Конечная цель данного комплекса работ — изготовления металлической детали или заготовки.
Изменение размера и формы заготовки осуществляется при помощи фрезерных станков, а также последовательным выполнением всех технологических правил, учитывая характеристики обрабатываемой детали.
Рассмотрим далее виды механической обработки металлов:
- Токарная обработка металла — является одной из самых распространенных операции резанием. Основывается на поступательном движении резца и на вращательном движении изделия.
— Обработка металла шлифованием — это один из самых основных способов абразивной металлообработки. Во время этого процесса, инструмент, а точнее круг шлифования, проделывает только вращательные движения, так называемое — главное вращение. В это время, заготовка вращается в любом нужном направление, в результате чего происходит удаления металлических частей с заготовки.
Горячая объемная штамповка металлов
... как автоматизированное конструирование поковок по чертежам или моделям деталей и оптимизация технологического процесса. 1 Методы моделирования обработки металлов давлением объемный штамповка металл В последние годы все больше внимания уделяется моделированию ...
— Обработка металла расточением — это механический процесс, включающий в себя обработку внутренней поверхности детали, при помощи расточительных резцов для увеличения диаметра отверстия. Обычно, данным методом механообработки обрабатываются выемки, отверстия и канавки.
- Зубообрабатывающая механическая обработка металла — данный метод металлообработки применяется для нарезания резьбы и зубьев шестеренок.
- Строгальная металлообработка — это процесс обработки металлических поверхностей при помощи резания со снятием стружки. Осуществляется данный метод, при относительном поступательном движении изделия или инструмента.
— Фрезерная обработка металла — резка поверхности металла осуществляется при помощи фрезы. Процесс представляет собой снятие стружки с поверхности заготовки, при помощи вращающегося многолезвийного инструмента, так называемого фрезой. Режущие кромки зубьев фрезы, находятся в прерывистом контакте с обрабатываемым металлическим изделием.
1.1 Высокопроизводительная обработка
В последнее время существует стойкая тенденция внедрения в машиностроительное производство высокоскоростной (HSM — High Speed Machining) и высокопроизводительной (HPM — High Productivity Machining) обработки. В основе этих понятий лежит характерно одинаковый процесс резания. При нем действующие значения скоростей резания и подач в 5-10 раз выше, чем при обычной обработке.
Высокопроизводительная обработка предъявляет дополнительные требования. Как известно, производительность можно измерять по объему снимаемой стружки в единицу времени (Q) либо нормой выработки изделий за единицу времени.
Важнейшей компонентой HPM обработки является соблюдение предпочтительных траекторий движения инструмента.
Таким образом, основные высокопроизводительной обработки от традиционной обработки заключаются в следующем:
- увеличении скорости резания и подачи;
- снижения усилий резания и температуры на режущей кромке;
- уменьшении сечения стружки;
- повышении производительности.
1.2 Высокоскоростная обработка
Высокоскоростная обработка направлена на получение сложных форм поверхностей (поверхностная обработка, например гравюр штампов, деталей, имеющих поверхности отличные от примитивных — плоскостей, цилиндров).
Официальное объяснение HSM было предложено немецким исследователем Карлом Соломоном в 1931 году: «При определенных скоростях резания тепловыделение начинает уменьшаться», что сопровождается уменьшением силы резания. Эффект HSM обуславливается структурными изменениями материала (из-за пластических деформаций, осуществляемых с большой скоростью) в месте отрыва стружки. При повышении скорости деформаций силы резания первоначально растут, а потом, с достижением определенной температуры в зоне образования стружки, начинают существенно снижаться. Время контакта режущей кромки с заготовкой и стружкой так мало, а скорость отрыва стружки столь высока, что большая часть тепла, образующегося в зоне резания, удаляется вместе со стружкой, а заготовка и инструмент не успевают нагреваться.
При лезвийной материалов давлением">обработке материалов, которые образуют сливную стружку, у режущей кромки происходит пластическая деформация и резание материала, наблюдается процесс трения между стружкой и передней поверхностью инструмента, а также между поверхностью детали и задней поверхностью инструмента. При высокоскоростной обработке с возрастанием скорости резания коэффициент трения уменьшается. Это происходит вследствие размягчения обрабатываемого материала в зоне разреза, в некоторых случаях — до появления жидкого слоя.
Материалы, применяемые для изготовления режущей части инструмента ...
... рекомендуется для изготовления инструментов, предназначенных для обработки материалов, имеющих высокую поверхностную твердость, при относительно небольших скоростях резания. ... стружку. Значительное превышение твердости инструментального материала по сравнению с твердостью обрабатываемой заготовки должно сохраняться и при нагреве инструмента в процессе резания. Способность материала инструмента ...
Соответственно задача высокопроизводительной обработки будет формулироваться следующим образом: достижение высокой производительности за счет реализации HSM метода обработки при сохранении точностных и качественных параметров обработки.
Рисунок 1. Стратегия высокопроизводственной обработки
Это достигается путем реализации следующей стратегии построения операции (рисунок 1):
I черновая: контурное HSM фрезерование, удаление материала по слоям небольшой равной глубины ap, высокие величины подач на зуб fz.
II получистовая: контурное HSM фрезерование инструментом меньшего диаметра по слоям с целью максимального выравнивания припуска под чистовую обработку.
III доработка оставшегося материала: окончательная обработка специальной геометрии (пазы, уступы), выравнивание припуска в зонах после получистового перехода, использование концевого инструмента в соответствии с геометрией дорабатываемых зон.
IV чистовая: HSM фрезерование с максимально возможными значениями оборотов и подач (высокоскоростной шпиндель), использование фрез с минимальными вылетами и радиусами, соответствующими обрабатываемой геометрии.
1.3 Наноразмерная обработка
Наноразмерная обработка позволяет изготовлять детали, точность размеров, формы и расположения поверхности которых определяется диапазоном от 10 в ст. минус 9 до 10 в ст. минус 7 м (от 1 до 100 нм).
Настоящий стандарт устанавливает технологические требования к обеспечению токарной наноразмерной обработки прецизионных деталей в части требований к производственным условиям, технологическому оборудованию (ТО), заготовкам, инструменту, средствам измерений, технике безопасности, охране окружающей среды и здоровью обслуживающего персонала, что способствует созданию и выводу на международный рынок отечественной конкурентоспособной нанопродукции. Также различают нанополирование и наноточение.
2. Электрохимические и элекрофизические методы обработки
Электрофизическая обработка заключается в изменении формы, размеров и параметров шероховатости поверхности заготовки с применением электрических разрядов, магнитострикционного эффекта, электронного и оптического излучения, плазменной струи.
Электрохимическая обработка основана на принципе локального анодного растворения при высокой плотности тока (20-250 А/см 2 ) и малых межэлектродных зазорах (0,02-0,5 мм) в проточном электролите.
На практике применяют и комбинированные методы электрофизической и химической обработки.
Разнообразие составляющих электротехнологию методов обработки материалов, а так же комплексность большинства методов затрудняет осуществление единой классификации, однозначно определяющей положение каждого метода в ряду других и их взаимосвязь. В таблице 1 приведена классификация основных методов электрофизических и электрохимических методов обработки по признакам использования при обработке электрических разрядов, ультразвуковых колебаний, энергии светового потока или химических процессов.
Модернизация токарного станка с ЧПУ модели 16К20Ф3С32 с целью ...
... что для повышения производительности и эффективности обработки целесообразно для выполнения моей темы «Модернизация токарного станка с ЧПУ модели 16К20Ф3С32 с целью обеспечения возможности обработки поверхностей сложных форм» иметь следующее задание. Разработать приспособления, позволяющие ...
Таблица 1
Классификация электрофизических и электрохимических методов обработки
2.1 Электрофизическая обработка
Электрофизические методы обработки металлов основаны на использовании специфических явлений, возникающих под действием электрического тока, для удаления материала или изменения формы заготовки.
Основным преимуществом электрофизических методов обработки металлов является возможность их использования для изменения формы заготовок из материалов, не поддающихся обработке резанием, причём обработка этими методами происходит в условиях действия минимальных сил или при полном их отсутствии.
Важным преимуществом электрофизических методов обработки металлов является независимость производительности большинства из них от твёрдости и хрупкости обрабатываемого материала. Трудоёмкость и длительность этих методов обработки материалов повышенной твёрдости (НВ>400) меньше, чем трудоёмкость и длительность обработки резанием.
Электрофизические методы обработки металлов охватывает практически все операции механической обработки и не уступает большинству из них по достигаемой шероховатости и точности обработки.
2.2 Электроискровая обработка
Базируется обработка металлов электроискровым способом на свойстве электрического тока переносить вещество при пробое. При высоком напряжении и силе постоянного тока (1-60А) анод (положительно заряженный электрод) нагревается до высокой температуры в пределах 10-15 тысяч градусов Цельсия, расплавляется, ионизируется и устремляется к катоду. Там, в силу электрических взаимодействий он осаживается.
Чтобы в процессе работы не возникала полноценная электрическая дуга, электроды сближаются только на короткие мгновения, длящиеся доли секунда. За это время возникает искра, разрушающая анод и наращивающая катод. Обрабатываемый участок подвергается нагреву и воздействию электротока на протяжении миллисекунд, при этом соседние области и лежащий ниже слой не успевают прогреться и структура их не нарушается. Проблема пограничных состояний не возникает в принципе.
Если требуется резка или сверление — катодом служит рабочий инструмент, а анодом — обрабатываемая деталь. При наращивании, укреплении поверхности или восстановлении формы детали, они меняются местами. Для этих видов обработки созданы специальные станки, каждый из которых выполняет свои операции.
Электроискровая установка, в зависимости от режима роботы, может обеспечивать точность результата в широких пределах. Если требуется высокая производительность при относительно невысоких требованиях к состоянию поверхности (I и II класс), то используются токи 10-60А при напряжении до 220В. В этом случае электроискровая эрозия может удалить из зоны реза или сверления металл в объеме до 300 мм 3 /мин. При более высоких показателях класса точности — VI и VII, производительность снижается до 20-30 мм3 /мин, но и токи требуются поменьше, не более 1А при напряжении до 40В.
Такой широкий диапазон регулировок показывает, что электроискровая обработка металла может использоваться в различных областях, как для производства крупных серий деталей, так и для разовых работ, включая ювелирные.
Электрохимические методы защиты металлов от коррозии
... что число частиц (или грамм-частиц), прореагировавших на поверхности металла, можно выразить в единицах силы тока. Если площадь поверхности электрода , то и , где и — плотности ... несомненный теоретический интерес и имеют большое народнохозяйственное значение. Химическое и электрохимическое окисление металлов. Кинетика процессов окисления зависит от природы среды, содержащий окислитель. Если ...
Для того чтобы капельки металла не наращивались на инструменте и не изменяли его формы, процесс обработки ведут в жидкой среде (масло, керосин), не проводящей электрический ток. Инструмент закреплен в ползуне, совершающем вертикальные движения вверх-вниз с помощью соленоидного регулятора. Электрическая цепь состоит из источников постоянного тока, сопротивления, регулирующего напряжение и силу тока, и конденсатора, препятствующего превращению искры в электрическую дугу. Когда электрод опускается настолько, что между ним и изделием образуется небольшой зазор, проскакивает электрическая искра и происходит эрозия изделия. Затем электрод немного приподнимается, и цикл обработки, длящийся доли секунды, повторяется. На рисунке 2 представлена схема электроискровой обработки.
Рисунок 2. Схема электроискровой обработки (прошивки)
1 — соленоид; 2 — источник тока; 3 — сопротивление; 4 — конденсатор; 5 — деталь; 6 — жидкая среда (масло, керосин); 7 —инструмент; 8 — ползун
Преимущества электроискрового метода:
- возможность образования отверстий разнообразных размеров и форм в деталях любой твердости;
- простота инструмента;
- возможность автоматизирования процесса;
- отсутствие заусенцев.
Точность обработки 10-12 квалитет, шероховатость поверхности Rа = 3,2…6,3 мкм.
2.3 Электроэрозионная обработка
Электроэрозионная обработка является разновидностью электрофизической обработки и характеризуется тем, что изменение формы, размеров и качества поверхности заготовки происходит под действием электрических разрядов.
Метод основан на разрушении металла в результате электрических разрядов между обрабатываемой заготовкой и инструментом. При этом разрушению подвергается анод (заготовка), на поверхности которого образуется углубление, соответствующее форме катода (инструмента).
Это свойство успешно используется для получения изделий сложной конфигурации, в том числе объёмных, из сталей высоких марок и специальных сплавов.
На рисунке 3 представлена схема установки для электроэрозионного прошивания отверстия.
Рисунок 3. Схема электроэрозионной установки
Импульсы электрического разряда возникающие между торцом электрода 3 и поверхностью заготовки 1, разрушают металл заготовки, образуя отверстие. Отверстия малых диаметров прошивают при обязательной вибрации электрода или заготовки для удаления образующихся отходов. Ориентация электрода осуществляется кондуктором 4, изготовленным из неэлектропроводного материала. Обработка производится в жидком диэлектрике 2 при питании электрическим током от источника 5.
Поверхности сложной формы обрабатываются с точностью по 8…12 квалитетам, при шероховатости обработанной поверхности Ra = 11,5…1,6 мкм.
Используя такой метод, практически всегда удается добиться самого высокого качества поверхности металла, в результате чего она становится максимально точной и однородной. При этом полностью исключается необходимость проведения финишной обработки. Также этот метод гарантирует получение на выходе поверхности разнообразной структуры.
Достоинство электроэрозионной обработки металла относят возможность осуществлять работу с поверхностью любой твердости.
Склеивание пластмасс и металлов
... химический; 2) физический; 3) механический. Химический способ заключается в обработке поверхностей пластмасс или металлов растворами спец. состава или растворителями. Для обезжиривания рекомендуется ... помимо правильного выбора типа клея, зависит от соответствующей подготовки поверхности. Подготовка поверхности к склеиванию предусматривает тщательную подгонку склеиваемых деталей друг к другу, ...
Электроэрозионное воздействие полностью исключает возникновение деформации поверхности у деталей, имеющих небольшую толщину. Это возможно из-за того, что при таком методе не возникает никакой механической нагрузки, а рабочий анод имеет минимальный износ. Кроме того, электроэрозионная обработка способствует получению поверхности разнообразных геометрических форм и конфигураций при минимальных усилиях.
Также к преимуществам такого процесса относят полное отсутствие шума при работе на специальном оборудовании.
Конечно, есть и недостатки при электроэрозионном воздействии на деталь из металла, но на ее эксплуатационных свойствах сказываются они несущественно.
2.4 Электроимпульсная обработка
Электроимпульсная обработка металлов представляет собой разновидность электроэрозионной обработки. По сравнению с электроискровой обработкой процесс характеризуется увеличением мощности единичных разрядов, длительностью импульсов, обратной полярностью (анод-инструмент, катод-заготовка), применением пониженных напряжений и относительно большими значениями средних токов. В результате производительность процесса по сравнению с электроискровой обработкой во многих случаях в 8…10 раз выше. Этот метод позволяет производить обработку на больших площадях (до 240 см 2 ) с высокой производительностью (до 5000 мм3 /мин); шероховатость обработанной поверхности на 1…3 класса ниже, чем при обработке электроискровыми методами.
Рисунок 4. Схема электроимпульсной обработки
На рисунке 4 приведена одна из схем электроимпульсного метода обработки металлов. Электрод-инструмент 3 и электрод-деталь 4, погруженные в ванну 5 с жидкостью, присоединяются к импульсному генератору постоянного тока 2, приводимому в действие от электродвигателя 1. Жидкой средой служат масла низкой вязкости (индустриальное, трансформаторное), керосин и др. В межэлектродном пространстве возникают электрические разряды определенной длительности, сопровождающиеся выделением теплоты. Под воздействием теплоты происходит разрушение металла на поверхности электродов. Электрические режимы назначают в зависимости от характера обработки и от площади обрабатываемой поверхности. При площади обрабатываемой поверхности 20…240 см 2 черновую обработку осуществляют при токе 50…500А, а чистовую — при 5…50А. Верхнее значение напряжения составляет 24…26В, а нижнее — 11…12В.
Недостатком электроискрового и электроимпульсного методов обработки является малая стойкость электрода-инструмента, который приходится заменять после обработки 5…10 деталей.
Электроимпульсную обработку проводят на специальных электроимпульсных станках, на которых обрабатывают пресс-формы, вырубные просеченные и чеканочные штампы и прошивают отверстия любой конфигурации в закаленных деталях.
Электроимпульсный метод используется для обработки поверхностей площадью до 1000 см 2 у стальных деталей и деталей, изготовляемых из жаропрочных сплавов, а также для обработки деталей из магнитных сплавов, титана и его сплавов, предварительного профилирования некоторых твердосплавных деталей и т.п.
2.5 Анодно-механическая обработка
физический химический технология обработка металл
Анодно-механическая обработка представляет собой комбинированный процесс анодного растворения и электроэрозионного воздействия на обрабатываемую заготовку при движущемся относительно обрабатываемой поверхности электроде-инструменте.
«Методики и технологии обработки деталей на станках с ЧПУ»…………….65 ...
... Цель дипломного проекта является проектирование технологического процесса механической обработки детали «Шток накатника»». в ... В виду того, что все образующие поверхности корпуса можно считать единообразными, то ... ГОСТ 3.1108-74, характеризуется коэффициентом закрепления операций: 1 < КЗ.О.< 10 - массовое ... углах возвышения. Деталь «Шток накатника», рисунок 1, используется в артиллерийских орудиях [ ...
Анодно-механическая обработка осуществляется с помощью постоянного тока, проходящего через электролит и погруженные в него электроды. При этом происходит растворение поверхности анода заготовки и образуется пленка, которая снимается движущимся катодом (инструментом).
Операциями анодно-механической обработки являются разрезание, шлифование, затачивание, профилирование на анодно-механических станках. Инструменты — диски, ленты, профильные «шаблоны» и др.
Производительность обработки зависит от ее вида и применяемых инструментов: при разрезании диском — 2000-6000 мм 3 /мин, лентой — 3000-7000 мм3 /мин.
Схема этого процесса показана на рисунке 5. Рабочей средой служит электролит, дающий пассивирующую пленку на аноде (обычно водный раствор жидкого стекла).
Источник питания — выпрямитель с рабочим напряжением на выходе 22-26 в. Электрод-инструмент подключается к отрицательному, а обрабатываемая деталь — к положительному полюсу.
Электрод-инструмент выполняется в виде диска или бесконечной ленты из низкоуглеродистой стали. Мощность, вводимая в зону обработки, до 20 квт, затраты электроэнергии на съем 1 кг металла 7-8 квт-час.
Рисунок 5. Схема анодно-механической обработки
Анодно-механическая обработка применяется в основном для разрезания заготовок из высоколегированных сталей и труднообрабатываемых сплавов толщиной до 1000 мм, а также находит некоторое применение для шлифования твердосплавных деталей типа втулок.
2.6 Электроконтактная обработка
Электроконтактная обработка основана на разрушении металла вследствие электротермических процессов, сочетающихся с механическим удалением образующихся продуктов. Проходящий через место контакта инструмента и заготовки электрический ток разогревает, размягчает и плавит металл, облегчая его удаление с изделия (заготовки).
Процесс ЭКО происходит в рабочей жидкости, которая заполняет пространство между электродами; при этом один из электродов — заготовка, а другой — электрод — инструмент. Под действием сил, возникающих в канале разряда, жидкий и парообразный материал выбрасывается из зоны разряда в рабочую жидкость, окружающую его, и застывает в ней с образованием отдельных частиц. В месте действия импульса тока на поверхности электродов появляются лунки. Таким образом, осуществляется электрическая эрозия токопроводящего материала, показанная на примере действия одного импульса тока, и образование одной эрозионной лунки.
При электроконтактной обработке импульсы тока в течение длительного времени повторяются и производят съем некоторого объема металла, благодаря чему электрод — инструмент углубляется в обрабатываемую деталь, образуя углубление или сквозное отверстие.
Принципиальная схема электроконтактной обработки показана на рисунке.6. В качестве инструмента применяют диски, роликовый или чашечный инструмент (стальной, чугунный, латунный и т.п.).
Рисунок 6. Схема электро контактной обработки
1 — электрод-инструмент (диск); 2 — заготовка; 3 — подача жидкости; 4 — подвод тока
Производительность метода довольно высокая: при черновой обработке (0,5-3) 106 мм 3 /мин; при точении 1000-10000 мм3 /мин.
Во избежание плавления инструмента его быстро вращают или искусственно охлаждают. Электроконтактную обработку применяют для удаления металла (резка, прошивание, шлифование, заточка), сглаживания гребешков неровностей и виброконтактной наплавки.
Недостатком является то, что электроконтактная обработка металла не имеет большой точности и не дает хорошее качество обработанной детали, но обладает хорошей производительностью из-за значительного объема снимаемого металла. Поверхность после обработки шероховатая (3-1 классы), имеет микротрещины.
2.7 Электроалмазное шлифование
Сущность процесса электроалмазного шлифования состоит в сочетании электрохимического (анодного) растворения обрабатываемого металла, обусловливающего высокую производительность, с алмазным шлифованием, дающим высокое качество и точность шлифования.
На рисунке 7 представлена схема процесса электроалмазного шлифования.
Рисунок 7. Принципиальная схема процесса электроалмазного шлифования
Электроалмазное шлифование производится токоведущим алмазоносным кругом в среде электролита 3.
Источник постоянного тока 5 напряжением 4-6В своим положительным полюсом присоединяется к шлифуемой детали 4, а отрицательным — к шлифовальному кругу 1.В процессе обработки происходит анодное растворение шлифуемого твердого сплава и удаление продуктов анодного растворения алмазными зернами 2, выступающими из шлифовального круга. При этом алмазные зерна снимают механическим резанием тонкий слой твердого сплава.
Схема электроалмазной обработки (рисунок 8) аналогична обычному шлифованию. Электрод-инструмент 1 представляет собой алмазный круг на металлической токопроводящей связке. Применяют также металлические диски, шаржированные алмазными зернами.
Рисунок 8. Схема электроалмазной обработки
Электроалмазная обработка является высокопроизводительным процессом благодаря высоким плотностям тока (до 1 МА/м2), которые возникают за счет малых зазоров между алмазоносным кругом и деталью (0,01…0,03 мм).
Оптимальная скорость электроалмазного шлифования V = 25…28 м/с.
При электроалмазной обработке достигается производительность до 750…1000 мм3/мин, точность до 0,01мм, шероховатость поверхности Ra = 0,16…0,08 мкм.
Электроалмазное шлифование применяют для обработки твердых сплавов, магнитов, магнитных сплавов и других материалов. Очень эффективно при обработке хрупких материалов.
2.8 Магнитоимпульсная обработка
Магнитно-импульсная обработка (МИО) металлов представляет собой способ пластической деформации металлов, который возможен при прямом преобразовании электроэнергии в механическую в обрабатываемом изделии.
Основой магнитно-импульсной обработки являются электродинамические силы, возникающие в проводящем теле изделия, находящемся в переменном электромагнитном поле.
Магнитно-импульсная обработка металлов — метод бесконтактной обработки давлением заключается в высокоскоростном деформировании проводящих заготовок импульсным магнитным полем. За счет объемного характера воздействия, быстротечности процесса (0,05 — 1 мс) и давлений порядка 200-2000 атм метод позволяет производить высококачественную сборку (в т.ч. сварку) металлических узлов, сборку металлостеклянных и металлокерамических узлов, сложную штамповку, деформирование труднодеформируемых в нормальном состоянии металлов.
Использование магнитного поля как источника импульсных давлений получает все большее распространение в практике обработки металлов давлением. Перспективно его применение в порошковой металлургии для уплотнения порошков и при сварке металлов давлением.
Главными преимуществами установок магнитно-импульсной обработки (рисунок 9) являются: отсутствие движущихся и трущихся частей; простота управления и регулирования мощности; компактность, простота обслуживания; высокая производительность; возможность механизации и автоматизации операций обработки.
К недостаткам магнитно-импульсной обработки следует отнести: невысокий КПД процесса; сложность обработки деталей с отверстиями или пазами, мешающими прохождению тока; недостаточную долговечность индукторов при работе в электрических полях высокой напряженности; сложность обработки деталей большой толщины.
Рисунок 9. Схема магнитно-импульсной обработки: а — соединение концов труб; б — соединение труб муфтой; 1 — заготовки; 2 — соленоид; 3 — муфта
3. Ультрозвуковая обработка
Метод основан на использовании ультразвуковых колебаний инструмента для достижения высокой скорости изнашивания заготовки при контакте с вибрирующим инструментом и абразивом в водной или масляной среде.
Ультразвуковая обработка применяется для формообразования сложных поверхностей (отверстий любой формы, полостей, щелей и т.п.) в заготовках из твердых и хрупких материалов (закаленная сталь, твердый сплав, стекло, фарфор, алмазы и т.п.).
А также используется в основном для сварки металлов, пластмасс и синтетических тканей, при резании металлов, стекла, керамики, алмаза и т.п. (например, сверлении, точении, гравировании).
Различают ультразвуковую обработку свободно направленным абразивом и размерную.
В качестве абразивного материала применяют карбиды бора, кремния, алмазные порошки и др. Инструменты изготовляют из конструкционных и малолегированных сталей в зависимости от вида обработки (разрезание, сверление глубоких отверстий, шлифование, гравирование и т.п.), размеров обрабатываемой площади, твердости обрабатываемой заготовки и мощности ультразвукового преобразователя.
Ультразвуковую обработку выполняют на ультразвуковых станках, снабженных магнитострикционными преобразователями (рисунок 10).
Рисунок 10. Схема ультразвуковой обработки
1 — ванна; 2 — изделие; 3 — подача абразивной суспензии; 4 — преобразователь; 5, 6 — вход и выход охлаждающей жидкости; 7 — инструмент; 8 — стол станка.
Производительность, точность размерной обработки ультразвуком и шероховатость поверхности после нее зависят от свойств материала (твердости и хрупкости), размеров обрабатываемых поверхностей. Производительность при обработке твердых сплавов достигает 40 — 80 мм 3 /мин. Отклонение диаметра сквозных отверстий, как правило, составляет 0,01-0,02. мм.
На практике ультразвук широко используют для очистки деталей от жировых и механических загрязнений, продуктов коррозии, лакокрасочных покрытий и т. п.
4. Электроннолучевая обработка
Электронно-лучевая обработка металлов основана на тепловом воздействии потока движущихся электронов на обрабатываемый материал, который в месте обработки плавится и испаряется. Столь интенсивный нагрев вызывается тем, что кинетическая энергия движущихся электронов при ударении о поверхность обрабатываемой заготовки почти полностью переходит в тепловую, которая будучи сконцентрирована на площадке малых размером (не более 10 мкм), вызывает её разогревание до 6000?С.
При размерной обработке, как известно, происходит локальное воздействие на обрабатываемый материал, что при электроннонно-лучевой обработке обеспечивается импульсным режимом потока электронов с продолжительностью импульсов 10-4…10-6 с и частотой f = 50 … 5000 Гц.
Высокая концентрация энергии при электронно-лучевой обработке в сочетании с импульсным воздействием обеспечивают условия обработки, при которых поверхности заготовки, находящиеся на расстоянии 1 мкм от кромки электронного луча, разогреваются до 300?С. Это позволяет использовать электронно-лучевую обработку для резки заготовок, изготовления сеток из фольги, вырезания пазов и обработки отверстий диаметром 1-10 мкм в деталях из труднообрабатываемых материалов.
Рисунок 11. Строение электронной пушки
В качестве оборудования для проведения электронно-лучевой обработки используют специальные электровакуумные устройства, называемые электронными пушками (рисунок 11).
Они генерируют, ускоряют и фокусируют электронный луч. Электронная пушка состоит из вакуумной камеры 4 (с разрежением 133?10-4), в которой установлен питаемый источником высокого напряжения 1 вольфрамовый катод 2, обеспечивающий эмиссию свободных электронов, которые разгоняются электрическим полем, созданным между катодом 2 и анодной диафрагмой 3.
Далее электронный луч проходит через систему магнитных линз 9, 6, устройство электрической юстировки 5 и фокусируется на поверхности обрабатываемой заготовки 7, установленной на координатном столе 8. Импульсный режим работы электронной пушки обеспечивается системой состоящей из импульсного генератора 10 и трансформатора 11.
Электронно-лучевой метод наиболее эффективен при обработке отверстий диаметром от 1 мм до 10 мкм, прорезании пазов, резке заготовок, изготовлении тонких пленок и сеток из фольги и т.д. Обработке подвергают заготовки из труднообрабатываемых металлов и сплавов (тантала, вольфрама, циркония, нержавеющих сталей), а также неметаллических материалов: рубинов, керамики, кварца.
Недостатки этой обработки следующие: необходимость защиты от рентгеновского излучения; относительно высокая стоимость и сложность оборудования (установок); применение глубокого вакуума.
5. Лазерная технология
В последнее время получила распространение лазерная технология. Лазерная технология — обработка и сварка материалов излучением лазеров. Лазер — источник электромагнитного излучения атомов и молекул видимого, инфракрасного и ультрафиолетового диапазонов. Мощные лазеры позволяют производить резку, сверление, закалку и сварку различных материалов без возникновения в них механических напряжений, неизбежных при обычной обработке. Обрабатываются заготовки из материалов любой твердости, металлов, алмазов, рубинов и др. с большой точностью.
Для технологических целей применяют твердотельные и газовые лазеры, которые могут работать как в непрерывном, так и в импульсном режимах. Основными характеристиками лазерного излучения являются мощность излучения (Вт), длина волны (0,4-10,6 мкм), Длительность (мс) и форма импульсов, расходимость пучка.
Лазерный луч применяют для прошивания отверстий диаметром от нескольких микрометров до десятков миллиметров и глубиной до 15 мм. Производительность лазерных установок довольно высокая: 60-240 отверстий в 1 мин. Типовая структурная схема лазерной установки с твердотельным лазером приведена на рисунке 12.
Рисунок 12. Типовая структурная схема лазерной установки с твердотельным лазером
1 — зарядное устройство; 2 — емкостный накопитель; 3 — система управления; 4 — блок поджига; 5 — лазерная головка; 6 — система охлаждения; 7 — система стабилизации энергии излучения; 8 — датчик энергии излучения; 9 — оптическая система; 10 — сфокусированный луч лазера; 11 — обрабатываемая заготовка; 11 — координатный стол; 13 — система программного управления.
При лазерной резке ширина реза обычно составляет 0,3-1 мм, толщина разрезаемого материала-до 10 мм. Скорость резки зависит от толщины и свойств обрабатываемого материала и составляет 0,5-10 м/мин.
Особенности лазерных технологий:
- высокая плотность потока излучения в зоне обработки, дающая необходимый термический эффект за короткое время (длительность импульса 1 м/сек и менее);
- локальность воздействия излучения, обусловленная возможностью его фокусировки в световые пучки предельно малого диаметра (порядка длины волны излучения);
- малая зона термического влияния, обеспечиваемая кратковременным воздействием излучения;
— бесконтактный ввод энергии в зону обработки и возможность ведения технологических процессов в любой прозрачной среде (вакуум, газ, жидкость, твёрдое тело), через прозрачные окна технологических камер, оболочки электровакуумных приборов и т.д.
Наиболее изучены и освоены процессы сварки, сверления и резки.
6. Плазменная обработка
Плазменная обработка — это обработка материалов низкотемпературной плазмой, генерируемой дуговыми или высокочастотными плазмотронами.
Плазма — частично или полностью ионизированный газ, в котором плотности положительных и отрицательных зарядов практически одинаковы.
При плазменной обработке изменяются форма, размеры, структура обрабатываемого материала или состояние его поверхности. Плазменная обработка получила широкое применение при резке заготовок, нанесении покрытий, наплавке и сварке. Резка осуществляется сжатой плазменной дугой, которая горит между анодом (заготовка) и катодом (плазменная горелка).
Процесс высокопроизводительный, что позволяет применять его в поточном непрерывном производстве.
Наиболее простой способ перевода газа в состояние плазмы — возбуждение в нем электрических разрядов (тлеющих, дуговых, искровых).
Для плазменной обработки ионизированный газ (плазму) возбуждают, нагревая какой-либо рабочий газ в условиях дугового разряда.
При давлении газа 0,2…0,3 МПа и силе тока дуги 400…500А скорость ионизированных частиц в струе достигает 15000 м/с. В результате воздействия плазменной струи на обрабатываемый материал последний разогревается в зоне обработки, затем плавится и частично испаряется. Расплавленный материал под действием кинетической энергии плазменной струи удаляется из зоны обработки.
На рисунке 13 показана структурная схема плазменной установки.
Рисунок 13. Структурная схема установки для плазменной обработки
В качестве источника питания для плазменных горелок обычно применяют стандартные сварочные источники постоянного тока мощностью 20…70 кВт.
В качестве рабочего газа в плазменных горелках применяют одноатомные газы (гелий, аргон), двухатомные (водород, азот) и их смеси. Наиболее широко используют смесь азота (80%) с водородом (20%) или аргона (70%) с водородом (30%).
Плазменная обработка получила широкое распространение вследствие высокой по промышленным стандартам температуры плазмы (~ 104К), большого диапазона регулирования мощности и возможности сосредоточения потока плазмы на обрабатываемом изделии; при этом эффекты плазменной обработки достигаются как тепловым, так и механическим действием плазмы (бомбардировкой изделия частицами плазмы, движущимися с очень высокой скоростью — так называемый скоростной напор плазменного потока).
Высокая производительность плазменной резки позволяет применять её в поточных непрерывных производственных процессах
Различные физические и химические методы обработки, применяемые в машиностроении, можно разделить на следующие основные группы:
— Электроэрозионная обработка. В ее основе лежит использование явления электрической эрозии, т.е. разрушения электродов при прохождении между ними импульса электрического тока. Непосредственной причиной съема металла электрическим разрядом является местный нагрев поверхности электрода, плавление и испарение металла при этом.
- Электрохимическая обработка. В основе этого метода обработки лежат явления электролиза, обычно — явления анодного растворения металла обрабатываемой заготовки с образованием различных неметалических соединений.
— Ультразвуковая обработка. В основе этого метода лежит использование механических упругих колебаний сверхзвуковой частоты (16-30 тыс. колебаний в с) для придания энергии мельчайшим частицам абразивного порошка, находящимся в суспензии, которые и производят ударное действие на поверхность обрабатываемой детали.
- Обработка световым и электронным лучами. В основе обработки световым лучом является использование непрерывного или импульсного луча, излучаемого оптическим квантовым генератором (лазером).
В таблице 2 представлены достоинства и недостатки относительно новых технологий обработки материалов.
Таблица 2
Достоинства и недостатки технологий обработки
|
Вид обработки |
Плюсы и минусы |
|
|
Лазерная обработка |
+ Отсутствие механического контакта с заготовкой + Высокая точность лазерной резки — Термическое воздействие на материал в зоне реза — Невозможность резки светоотражающих и светопропускающих материалов, а также материалов толщиной более 20 мм |
|
|
Плазменная обработка |
+ Обрабатываются металлы толщиной до 100 мм при высокой скорости резания + Небольшой локальный нагрев заготовки, исключающий тепловую деформацию — Подвергаются резке только токопроводящие материалы — Низкая точность реза и необходимость дополнительной обработки |
|
|
Электроэрозионная обработка |
+ Позволяет получить рез малой ширины с высоким качеством + Используется практически для всех металлов и сплавов — Невысокая производительность (скорость подачи менее 1 мм/мин) — Высокое энергопотребление |
|
|
Электрохимическая обработка |
+ Применяется независимо от твердости и прочности обрабатываемых материалов + Отсутствие механического и термического влияния инструмента на заготовку + Снижение шероховатости обрабатываемой поверхности при одновременном повышении производительности по сравнению с ЭЭО — Высокое энергопотребление — Сложность настройки производственного процесса |
|
1. Киселев М., Мрочек Ж. Электрофизические и электрохимические способы обработки материалов. Учебное пособие. М.: Инфра-М, 2014. — 400 с. ISBN 978-985-475-624-0
2. Туманов Ю. Плазменные, высокочастотные, микроволновые и лазерные технологии в химико-металлургических процессах. М.: ФИЗМАТЛИТ, 2010. — 968 с. ISBN 978-5-9221-1211-6
3. Холодкова А.Г. Общие основы технологии металлообработки. Учебник. М.: Академия, 2014. — 256 с. ISBN 978-5-7695-6943-2
4. Виды электрофизической и электрохимической обработки [Электронный ресурс]
5. Технологии обработки [Электронный ресурс]
