Современные способы обработки материалов

Современные способы обработки металлов

Металлообрабатывающее оборудование на сегодняшний день нашло широкое применение в различных промышленных отраслях: железнодорожной отрасли, энергетике, авиа и судостроении, строительстве, машиностроении и так далее.

Выбор станков напрямую зависит от объемов производства (механические, ручные, с ЧПУ, автоматические и так далее), необходимого качества детали и вида обработки.

Механическая обработка используется для того, чтобы производить новые поверхности. Работа состоит в разрушении слоя определенной области: при этом режущий инструмент осуществляет контроль степени деформации. Основным оборудованием для механической обработки металлов являются токарные и фрезерные станки, а также универсальные токарно-фрезерные обрабатывающие центры.

Токарная обработка — это процесс резания металла, осуществляемый при линейной подаче режущего инструментом при одновременном вращении заготовки.

Точение осуществляется срезанием с поверхности заготовки определенного слоя металла с помощью резцов, сверл или других режущих инструментов.

Главным движением при точении является вращение заготовки.

Движением подачи при точении является поступательное перемещение резца, которое может совершаться вдоль или поперек изделия, а также под постоянным или изменяющимся углом к оси вращения изделия.

Фрезерная обработка — это процесс резания металла, осуществляемый вращающимся режущим инструментом при одновременной линейной подаче заготовки.

Материал с заготовки снимают на определенную глубину фрезой, работающей либо торцовой стороной, либо периферией.

Главным движением при фрезеровании является вращение фрезы.

Движением подачи при фрезеровании является поступательное перемещение обрабатываемой детали.

Токарно-фрезерная обработка металлов выполняется с помощью универсальных обрабатывающих центров с числовым программным управлением (ЧПУ), позволяющих выполнять сложнейшую высокоточную обработку без учета человеческого фактора. ЧПУ предполагает, что каждым этапом выполняемых работ управляет компьютер, которому задается определенная программа. Обработка детали на станке с ЧПУ обеспечивает максимально точные размеры готового изделия, т.к. все операции выполняются с одной установки обрабатываемой заготовки.

Суть метода электроэрозионной обработки (резки) заключается в полезном использовании электрического пробоя при обработке поверхности.

При сближении электродов, находящихся под током, происходит разряд, разрушительное воздействие которого проявляется на аноде, которым служит обрабатываемый материал.

Межэлектродное пространство заполняется диэлектриком (керосином, дистиллированной водой или специальной рабочей жидкостью), в котором разрушающее воздействие на анод значительно более действенно, чем в воздухе. Диэлектрик также играет роль катализатора процесса распада материала, т. к. он — при разряде в зоне эрозии — превращается в пар. При этом происходит «микровзрыв» пара, который также разрушает материал.

Важнейшим преимуществом проволочно-вырезных станков является малый радиус эффективного сечения инструмента (проволоки), а также возможность точного пространственного ориентирования режущего инструмента. В силу этого возникают уникальные возможности для изготовления точных деталей в широком диапазоне размеров с достаточно сложной геометрией.

Для некоторых изготавливаемых деталей применение электроэрозионной обработки является предпочтительным, в сравнении с другими видами обработки.

Электроэрозионные проволочно-вырезные станки позволяет рационально осуществить операции по:

изготовлению деталей со сложной пространственной формой и повышенными требованиями к точности и чистоте обработки, в том числе деталей из металла с повышенной твердостью и хрупкостью;

изготовлению фасонных резцов, матриц, пуансонов, вырубных штампов, лекал, копиров и сложных пресс-форм в инструментальном производстве.

Гидроабразивная обработка металла – это один из наиболее высокотехнологических процессов, обладающий высокими показателями точности и экологичности производства. Процесс гидроабразивной резки заключается в обработке заготовки тонкой струей воды под большим давлением с добавлением абразивного материала (например, мельчайший кварцевый песок). Технологический процесс гидроабразивной резки является очень точным и качественным способом обработки металла.

В процессе гидроабразивной обработки вода смешивается в специальной камере с абразивом и проходит через очень узкое сопло режущей головки под высоким давлением (до 4000 бар). Гидроабразивная смесь выходит из режущей головки со скоростью, превышающей скорость звука (часто более чем в 3 раза).

Наиболее производительное и универсальное оборудование – это системы консольного и портального типа. Такое оборудование идеально подходит, например, для аэрокосмической и автомобильной промышленности; оно может широко использоваться в любых других отраслях.

Гидроабразивный раскрой является безопасным способом обработки. Резка водой не производит вредных выделений и (за счет возможности получения узкого реза) экономично расходует обрабатываемый материал. Hет зон термического воздействия, закаливания. Небольшая механическая нагрузка на материал облегчает обработку сложных деталей, особенно с тонкими стенками.

Одним из важнейших преимуществ водоструйной технологии является возможность обработки практически любых материалов. Данное свойство делает технологию гидроабразивной резки незаменимой в ряде технологических производств и делает ее применимой практически в каждом производстве.

Лазерная обработка материалов включает в себя резку и раскрой листа, сварку, закалку, наплавку, гравировку, маркировку и другие технологические операции.

Использование лазерной технологии обработки материалов обеспечивает высокую производительность и точность, экономит энергию и материалы, позволяет реализовать принципиально новые технологические решения и использовать труднообрабатываемые материалы, повышает экологическую безопасность предприятия.

Лазерная резка осуществляется путём сквозного прожига листовых металлов лучом лазера. В процессе резки, под воздействием лазерного луча материал разрезаемого участка плавится, возгорается, испаряется или выдувается струей газа. При этом можно получить узкие резы с минимальной зоной термического влияния.

Такая технология имеет ряд очевидных преимуществ перед многими другими способами раскроя:

отсутствие механического контакта позволяет обрабатывать хрупкие и деформирующиеся материалы;

обработке поддаются материалы из твердых сплавов;

возможна высокоскоростная резка тонколистовой стали;

Для резки металлов применяют технологические установки на основе твердотельных, волоконных лазеров и газовых CO₂-лазеров, работающих как в непрерывном, так и в импульсно-периодическом режимах излучения. Сфокусированный лазерный луч, обычно управляемый компьютером, обеспечивает высокую концентрацию энергии и позволяет разрезать практически любые материалы независимо от их теплофизических свойств.

Благодаря высокой мощности лазерного излучения обеспечивается высокая производительность процесса в сочетании с высоким качеством поверхностей реза. Легкое и сравнительно простое управление лазерным излучением позволяет осуществлять лазерную резку по сложному контуру плоских и объемных деталей и заготовок с высокой степенью автоматизации процесса.

Источник

Урок 10
Современные технологии обработки материалов

Раздел. Закономерности технологического развития цивилизации.

Тема урока. Современные технологии обработки материалов.

Тип урока: комбинированный.

Цель урока: организовать деятельность обучающихся по ознакомлению с современными технологиями обработки материалов.

Закономерности технологического развития цивилизации
§43. Современные технологии обработки материалов

В современных технических системах возникает необходимость применения деталей, изготовленных из твёрдых материалов, сплавов и имеющих очень сложную форму, обработать которые невозможно с помощью традиционных технологий токарной и фрезерной обработки, строгания, сверления и др. В связи с этим были изобретены новые технологии обработки материалов.

Электроэрозионная обработка

Электроэрозионная обработка (ЭЭО) заключается в изменении формы, размеров, шероховатости поверхности токопроводящих заготовок под действием электрических разрядов, возникающих между заготовкой и электродом-инструментом (рис. 131). Этот метод обработки изобретён учёными Б. Р. Лазаренко и H. И. Лазаренко в 1943 г.

В процессе обработки на электрод-инструмент и заготовку, которые находятся в жидкой диэлектрической среде — масле, подаётся электрическое напряжение. При сближении электрода-инструмента и заготовки между ними возникает электрический разряд, в канале которого образуется плазма с высокой температурой. Энергии этой плазмы оказывается достаточно, чтобы разогреть, расплавить и испарить небольшое количество материала заготовки. Расплавленные капли, отделившиеся от поверхности заготовки, охлаждаются и остаются в жидкости, а в заготовке образуются выплавленные углубления. Электрические разряды действуют периодически, импульсно: длительность импульса 0,1. 10 -7 с, частота от 2 кГц до 0,5 МГц, сила тока в среднем равна 100 А. Электроды-инструменты изготавливают из меди, алюминия, латуни, вольфрама, графитосодержащих материалов.

Форма углублений в заготовке полностью совпадает с формой электрода-инструмента (рис. 132).

Этот метод называют электроэрозионной прошивкой.

Большое распространение получило электроэрозионное копирование, при котором на заготовке отображается форма поверхности электрода-инструмента (рис. 133).

Применяется также электроэрозионное вырезание проволокой. Электрод-инструмент в виде непрерывно перематывающейся проволоки движется по заданной траектории, прорезая в заготовке узкие пазы и вырезая тем самым контуры детали (рис. 134).

Существуют также другие виды ЭЭО: электроэрозионное упрочнение, шлифование и маркирование, электроэрозионная химическая и абразивная обработка и др.

Преимущества электроэрозионной технологии:
— возможность обработки высокопрочных сталей и твёрдых сплавов;
— использование недорогих материалов для изготовления электродов-инструментов;
— получение изделий со сложными фасонными поверхностями;
— возможность получения отверстий диаметром менее 0,3 мм, а также отверстий с криволинейной осью;
— возможность обработки закрытых каналов, недоступных обычной механической обработке, благодаря произвольной форме электрода-инструмента.

На станках для электроэрозионной обработки компьютер управляет как движением формообразования но нескольким координатам, так и технологическими режимами (напряжением, током, величиной зазора между инструментом и заготовкой и др.).

Ультразвуковая обработка материалов

Ультразвуковая обработка (УО) представляет собой воздействие ультразвука (частотой 15—105 кГц) на обрабатываемые заготовки. В качестве источников ультразвуковых колебаний применяют электроакустические излучатели (механические, электромагнитные, магнитострикционные, пьезоэлектрические и др.).

Ультразвуковая обработка используется в промышленности для получения отверстий любой формы, криволинейных пазов, канавок сложного профиля в металлах, стекле, керамике, алмазе и др., а также при штамповке и прессовании металлов.

Станок для ультразвуковой обработки оснащён генератором, который вырабатывает переменный электрический ток ультразвуковой частоты (рис. 135, а), питающий обмотку 5 колебательной системы (излучателя) 4. В результате этого излучатель, изготовленный из специального магнитострикционного материала, вибрирует с малыми амплитудами колебаний (10. 70 мкм). Излучатель соединён со стержнем, на котором закреплён инструмент 3.

В процессе обработки инструмент 3 и заготовка 1 находятся в ванне 2. В зазор между инструментом и заготовкой подаётся абразивная суспензия 6 (вода с мелким порошком корунда, карбида бора, карбида кремния или другого абразива). Колеблющийся инструмент ударяет по частицам абразива, а острые абразивные зёрна, в свою очередь, врезаясь в поверхность заготовки, откалывают от поверхности мелкие частицы заготовки (рис. 135, б). По мере воздействия на обрабатываемый материал инструмент всё больше углубляется в заготовку. При этом форма получаемого отверстия полностью соответствует форме инструмента (рис. 136).

Система подачи абразивной суспензии обеспечивает непрерывное поступление свежего абразива в зону обработки, осуществляет удаление продуктов обработки и охлаждение зоны обработки.

Преимущества ультразвуковой технологии:
— возможность обработки твёрдых сплавов;
— обработка хрупких материалов: германия, кремния, ферритов, керамики, кварца, фарфора, фаянса и др.;
— отсутствие после ультразвуковой обработки в детали опасных остаточных напряжений, часто появляющихся при традиционных методах обработки;
— возможность обработки драгоценных и полудрагоценных камней для ювелирной промышленности: алмаза, корунда, рубина, сапфира, хрусталя, агата, нефрита, яшмы, гранита, мрамора и др.;
— получение отверстий диаметром от 0,1 до 60 мм в неметаллических материалах.

Существуют также другие виды ультразвуковой обработки: ультразвуковая резка и очистка поверхностей материалов, ультразвуковая сварка и пайка и др.

Лазерная обработка

Лазер (квантовый генератор) — устройство, преобразующее энергию накачки (световую, электрическую, тепловую, химическую и др.) в энергию узко направленного потока излучения. В настоящее время лазеры широко применяются во многих отраслях науки, техники и медицины (в космической и авиационной навигации, телескопах и целеуказателях, в хирургии, для измерения различных величин: расстояний, температур, времени, давления, концентрации веществ и др.), а также в быту (проигрыватели компакт-дисков, лазерные принтеры, считыватели штрихкодов, лазерные указки и др.).

Уникальные свойства лазеров (высокая плотность энергии, возможность фокусировки луча лазера в точку диаметром один микрометр, точный контроль зоны нагрева и др.) способствовали их успешному применению для обработки различных материалов. На рисунке 137 показана схема лазерной обработки. В точке фокусировки луча лазера возникает очень высокая температура, в результате чего любой самый твёрдый материал расплавляется и превращается в пар.

Резка лазером высокой мощности применяется для раскроя листовых материалов. Лазерный луч, управляемый компьютером, прорезает узкие прорези без существенного нагрева прилегающих участков заготовки, что исключает появление в ней опасных остаточных деформаций после разрезания.

Преимущества лазерной резки:
— обработке поддаются любые материалы;
— для автоматического раскроя материала достаточно внести в компьютер рисунок вырезаемой из листового материала заготовки;
— возможность высокоскоростной резки тонколистовой стали;
— процесс резания автоматизирован;
— возможность вырезания сложных контуров с очень малой погрешностью (рис. 138);

— отсутствие механического контакта позволяет обрабатывать хрупкие и легко деформируемые материалы. Лазерная закалка (термоупрочнение) применяется для повышения срока службы различных деталей, которые в процессе работы подвергаются износу. Сущность процесса лазерной закалки заключается в том, что лазерный луч, двигаясь вдоль поверхности, нагревает её участки с помощью излучения до сверхкритических температур. Нагрев металла осуществляется в короткий период времени и на небольшую глубину, в результате чего после перемещения луча на соседние участки разогретый участок быстро остывает за счёт отвода теплоты во внутренние слои металла. Высокая скорость охлаждения приводит к закалке поверхности.

Лазерная наплавка — метод нанесения материала на поверхность заготовки с помощью лазерного луча. Луч лазера фокусируется на заготовку в виде пятна диаметром 0,2. 2,5 мм и локально разогревает её поверхность. В зону пятна подаётся присадочная проволока или порошок наплавляемого металла, которые плавятся и сцепляются с сильно разогретой поверхностью. Лазерная наплавка применяется в промышленности для нанесения на металлические детали покрытий из более твёрдых материалов, а также для восстановления первоначальных размеров изношенных или повреждённых в эксплуатации деталей машин.

Существуют также другие виды лазерной обработки: лазерное легирование, лазерная сварка, лазерная гравировка и др.

Любой, даже маломощный, лазер представляет опасность для зрения человека, поэтому следует соблюдать осторожность в помещениях, где лазеры применяются для декоративного освещения, на концертах, музыкальных мероприятиях.

Плазменная обработка

Плазменная обработка — обработка материалов плазмой, создаваемой специальным устройством — плазмотроном. Плазмой называется высокотемпературный сильно ионизированный газ, состоящий из молекул, атомов, ионов, электронов, световых квантов и др.

Плазмотрон (генератор плазмы) — техническое устройство, в котором при протекании электрического тока через разрядный промежуток образуется плазма, используемая для обработки материалов. На рисунке 139 схематично показаны основные типы плазмотронов: прямого и косвенного действия.

В плазмотроне прямого действия (см. рис. 139, а) плазменная дуга 1 образуется между тугоплавким вольфрамовым электродом 3 (который является катодом) и обрабатываемой заготовкой 9 (являющейся анодом). Температура плазменной дуги — 10 000. 30 000 °C. Источник питания 4 обеспечивает ток 400. 500 А и напряжение 120. 160 В. В плазмотрон подаётся плазмообразующий газ 7 (аргон, гелий, азот, водород, кислород и др.). Для снижения температуры нагрева корпуса 6 плазмотрона в нём предусмотрены полости, заполняемые проточной охлаждающей водой 8. Плазмотроны прямого действия применяют для плазменной (разделительной или поверхностной) резки материалов. Плазменной дугой режут нержавеющие и хромоникелевые стали, медь, алюминий и др., причём толщина разрезаемого металла может достигать 200 мм. Высокая производительность плазменной резки позволяет применять её в поточных непрерывных производственных процессах.

В плазмотроне косвенного действия (рис. 138, б) плазменная дуга 1 образуется между вольфрамовым электродом 3 (который является катодом) и сопловой частью корпуса плазмотрона 10 (являющейся анодом).

Плазмотроны косвенного действия применяют для резания неэлектропроводных материалов (бетона, гранита, органических материалов), а также для плазменного напыления. Покрытия наносят (напыляют) для защиты поверхностей деталей, подвергающихся интенсивному механическому воздействию, работающих при высоких температурах или в агрессивных средах. Материал покрытия (тугоплавкие металлы, твёрдые сплавы, окислы, карбиды, пластмассы и др.) вводят в виде проволоки или порошка в плазменную струю, в которой он плавится, распыляется и, ударяясь о поверхность детали, приваривается к ней.

Преимущества плазменного напыления:
— нанесение покрытий на конструкции больших размеров и изделия сложной формы;
— возможность покрытия изделия из самых разнообразных материалов, включая материалы, не терпящие термообработки в печи (стекло, фарфор, дерево, ткань);
— возможность восстановления и ремонта изношенных деталей;
— механизация и автоматизация процесса напыления;
— нанесение покрытий в несколько слоёв;
— отсутствие деформации основы, на которую производится напыление.

Существуют также другие виды плазменной обработки: плазменная наплавка и сварка, плазменное бурение горных пород и др.

Запоминаем опорные понятия

Электроэрозионная обработка (ЭЭО), ультразвуковая обработка (УО), лазерная обработка, лазер, плазменная обработка, плазмотрон.

Самостоятельная работа

Работа с информацией.

Ознакомьтесь, выполнив поиск в Интернете и других источниках информации, с современными технологиями обработки материалов, не рассмотренными в данном параграфе:

1) ультразвуковая резка и очистка поверхностей материалов, ультразвуковая сварка и пайка;

2) лазерное легирование, лазерная сварка, лазерная гравировка;

3) плазменная наплавка и сварка, плазменное бурение горных пород. Сохраните информацию в форме описания, схем, фотографий и др.

Проверяем свои знания

1. Что такое электроэрозионная прошивка?

2. Какие меры безопасности следует соблюдать при посещении мероприятий с декоративным лазерным оформлением?

3. Почему неметаллические материалы можно разрезать только плазмотроном косвенного действия?

Источник