Анодно-механ-кая обраб-ка. Ультрозвук-ая и электронно-лучевая обраб-ка; Схема, сущность, назначение, достоинства и недостатки

Анодно-механическая обработка основана на сочетании электротермических и электромеханических процессов и занимает промежуточное место между электроэрозионными и электрохими­ческими методами. Обрабатываемую заготовку подключают к аноду, а инструмент - к катоду. В зависимости от характера обработки и вида обрабатываемой поверхности в качестве инструмента исполь­зуют металлические диски, цилиндры, ленты, проволоку. Обработку ведут в среде электролита, которым чаще всего служит водный раствор жидкого натриевого стекла. Заготовке и инструменту задают такие же движения, как при обычных методах механической обработки резанием. Электролит подают в зону обработки через сопло (рис. 7.10).При пропускании через раствор электролита постоянного элек­трического тока происходит процесс анодного растворения как при электрохимической обработке. При соприкосновении инстру­мента-катода с микронеровностями обрабатываемой поверхности заготовки-анода происходит процесс электроэрозии, присущий элек­троискровой обработке. Кроме того, при пропускании электриче­ского тока металл заготовки в точке контакта с инструментом разо­гревается также, как при электроконтактной обработке, и материал заготовки размягчается. Продукты электроэрозии и анодного раство­рения удаляются из зоны обработки при относительных движениях инструмента и заготовки. Анодно-механическим способом обрабатывают заготовки из всех токопроводящих материалов, высокопрочных и труднообрабатывае­мых металлов и сплавов, вязких материалов. В станках для анодно-механической обработки используют си­стемы ЧПУ. От программы осуществляется управление скоростями движений заготовки и инструмента, поддерживается постоянство зазора в рабочем пространстве между ними, задаются параметры электрического режима при переходе с черновой обработки на чи­стовую. Анодно-механическим методом разрезают заго­товки на части (а), прорезают пазы и щели, обтачивают поверхности тел вращения (б), шлифуют плоские поверхности и поверхности, имеющие форму тел вращения (в), полируют поверхности, затачи­вают режущий инструмент.

Ультразвуковая обработка (УЗО) материалов — разно­видность механической обработки — основана на разрушении об­рабатываемого материала абразивными зернами под ударами ин­струмента, колеблющегося с ультразвуковой частотой. Источником энергии служат ультразвуковые генераторы тока с частотой 16— 30 кГц. Инструмент получает колебания от ультразвукового преоб­разователя с сердечником из магнитострикционного материала, Эффектом магнитострикции обладают никель, железоникелевые сплавы (пермендюр), железоалюминиевые сплавы (альфер), ферриты. В сердечнике из магнитострикцион­ного материала при наличии электро­магнитного поля домены разворачи­ваются в направлении магнитных силовых линий, что вызывает изменение размера поперечного сечения сердеч­ника и его длины. В переменном маг­нитном поле частота изменения длины сердечника равна частоте колебаний тока. При совпадении частоты колеба­ний тока с собственной частотой колеба­ний сердечника наступает резонанс и амплитуда колебаний торца сердеч­ника достигает 2—10 мкм. Для увели­чения амплитуды колебаний на сердеч­нике закрепляют резонансный волновод переменного попереч­ного сечения, что увеличивает амплитуду колебаний до 10— 60 мкм. На волноводе закрепляют рабочий инструмент-пуансон. Под пуансоном-инструментом устанавливают заготовку и в зону обработки поливом или под давлением подают абразивную суспензию, состоящую из воды и абразивного материала. Из абразивных ма­териалов используют карбиды бора или кремния и электрокорунд. Наибольшую производительность получают при использова­нии карбидов бора. Инструмент поджимают к заготовке силой 1-60 Н.

Процесс обработки заключается в том, что инструмент, колеблю­щийся с ультразвуковой частотой, ударяет по зернам абразива, ле­жащим на обрабатываемой поверхности, которые скалывают частицы материала заготовки (рис. 7.12). Заготовку 3 помещают в ванну 1 под инструментом-пуансоном 4. Инструмент установлен на волноводе 5, который закреплен в магнитострикционном сердечнике 7, смонтированном в кожухе 6, сквозь который прокачивают воду для охлаждения сердечника. Для возбуждения колебаний сердечника магнитострикционного преобразователя служит генератор 8 ультра­звуковой частоты и источника постоянного тока 9. Абразивную суспензию 2 подают под давлением по патрубку 10 насосом 11, забирающим суспензию из резервуара 12. Прокачивание суспензии насосом исключает оседание абразивного порошка на дне ванны и обеспечивает подачу в зону обработки абразивного материала.

Кавитационные явления в жидкости способствуют интенсивному перемешиванию абразивных зерен под инструментом, замене изно­шенных зерен новыми, а также разрушению обрабатываемого ма­териала.

Ультразвуковым методом обрабатывают хрупкие твердые ма­териалы: стекло, керамику, ферриты, кремний, кварц, драгоценные минералы, в том числе алмазы, твердые сплавы, титановые сплавы, вольфрам. Ультразвуковым методом обрабатывают (рис. 7.13) сквозные и глухие отверстия любой формы поперечного сечения (а, б), фасон­ные полости (в), разрезают заготовки на части (г), профилируют на­ружные поверхности, гравируют, прошивают отверстия с криволи­нейными осями, нарезают резьбы. Рабочие движения для указанных видов обработки: скорость резания V (движение абразивных зерен в направлении обрабаты­ваемой поверхности) и движение подачи s_в при обработке отверстий, полостей; 5пр при разрезании заготовок; s_п и s_пр при разрезании заготовок по сложной траектории. Рабочие инструменты для обработки отверстий диаметром 0,5 — 20 мм выполняют сплошными; диаметром 20—100 мм — полыми (обработка по способу трепанации). Пазы долбят, а заготовки раз­резают ножевидными пуансонами; внутренние полости обрабаты­вают пуансонами, форма торцов которых обратна форме обрабаты­ваемой поверхности. Инструменты изготовляют из закаленных (НЯС 35—40), но вязких материалов. Точность размеров и шероховатость поверхностей, обработанных ультразвуковым методом, зависят от зернистости используемых абразивных материалов и соответствуют точности и шероховатости поверхностей, обработанных шлифованием.

ЛУЧЕВЫЕ МЕТОДЫ ОБРАБОТКИ. К лучевым методам формообразования поверхностей дета­лей машин относят электронно-лучевую и светолучевую (лазерную) обработку. Электронно-лучевая обработка основана на превращении кине­тической энергии направленного- пучка электронов в тепловую. Высокая плотность энергии сфокусированного электронного луча позволяет обрабатывать заготовки за счет нагрева, расплавления и испарения материала с узколокального участка. Схема установки для электронно-лучевой обработки (электронная пушка) показана на рис. 7.14. В вакуумной камере 1 установки вольфрамовый катод 11, питаемый от источника тока, обеспечивает эмиссию свободных элек­тронов. Электроны формируются в пучок специальным электродом и под действием элек­трического поля, создаваемого высокой раз­ностью потенциалов между катодом 11 и ано­дом 10, ускоряются в осевом направлении. Луч электронов проходит систему юстировки 9, диафрагму 8, корректор изображения 7 и си­стему магнитных линз-6, которые окончательно формируют поток электронов в луч малого диаметра и фокусируют его на поверхности заготовки 4, закрепленной в приспособлении 3 на столе 2. Луч по поверхности заготовки перемещается откло­няющей системой 5, которая может управляться системой ПУ. Система ПУ также управляет продольными и поперечными пере­мещениями стола, на котором закреплена заготовка, продолжитель­ностью импульсов и интервалов между ними. При размерной обработке заготовок установка работает в им­пульсном режиме, что обеспечивает локальный нагрев заготовки. В зоне обработки температура достигает 6000°С, а на расстоянии 1 мкм от кромки луча не превышает 300 °С. Продолжительность импульсов и интервалы между ними подбирают так, чтобы за один цикл успел нагреться и испариться металл только под лучом. Дли­тельность импульсов составляет 10^-4—10^-6 с, а частота 50—6000 Гц. Диаметр сфокусированного электронного луча — несколько микро­метров. Электронно-лучевой метод перспективен при обработке отверстий диаметром 1 мм—10 мкм, прорезании пазов, резке заготовок, изго­товлении тонких пленок и сеток из фольги. Обрабатывают заготовки из труднообрабатываемых металлов и сплавов, а также из неметал­лических материалов: рубина, керамики, кварца, полупроводнико­вых материалов. Электронно-лучевая обработка имеет преимущества, обусловли­вающие целесообразность ее применения: создание локальной кон­центрации высокой энергии, широкое регулирование и управление тепловыми процессами. Вакуумные среды позволяют обрабатывать заготовки из легкоокисляющихся активных материалов. С помощью электронного луча можно наносить покрытия на поверхности за­готовок в виде пленок, толщиной от нескольких микрометров до десятых долей миллиметра. Недостатком обработки является то, что она возможна только в вакууме. Светолучевая (лазерная) обработка основана на тепловом воз­действии светового луча высокой энергии на поверхность обрабаты­ваемой заготовки. Источником светового излучения служит лазер - оптический квантовый генератор (ОКГ). Созданы конструкции твердотелых, газовых и полупроводниковых ОКГ. Их работа основана на принципе стимулирован­ного генерирования светового излучения. Атом вещества, имея определенный запас энергии, находится в устойчивом энергетическом состоянии и располагается на опре­деленном энергетическом уровне. Для выведения атома из устой­чивого энергетического состояния его необходимо возбудить. Воз­буждение («накачку») активного вещества осуществляют световой импульсной лампой. Возбужденный атом, получив дополнительный фотон от системы накачки, излучает сразу два фотона, в результате чего происходит своеобразная цепная реакция генерации лазерного излучения. Для механической обработки используют твердотелые ОКГ, рабочим элементом которых является рубиновый стержень, состоя­щий из оксидов алюминия, активированных 0,05 % хрома. Рубино­вый ОКГ работает в импульсном режиме, генерируя импульсы ко­герентного монохроматического красного цвета. При включении пускового устройства ОКГ электрическая энергия, запасенная в батарее конденсаторов, преобразуется в световую энергию импульс­ной лампы. Свет лампы фокусируется отражателем па рубиновый стержень, и атомы хрома приходят в возбужденное состояние. Из этого состояния они могут возвратиться в нормальное, излу­чая фотоны с длиной волны 0,69 мкм (красная флюоресценция рубина). Взаимодействие фотонов с возбужденными атомами дает лавиною образные потоки фотонов в различных направлениях. Наличие тор­цовых зеркальных поверхностей рубинового стержня приводит к тому что при многократном отражении усиливаются свободные световые колебания в направлении оси стержня рубина вследствие стимулирования возбужденными атомами. Спустя 0,5 мс более половины атомов хрома приходит в возбужденное состояние, и система ста­новится неустойчивой. Вся запасенная энергия в стержне рубина одновременно высвобождается, и кристалл испускает ослепительный яркий красный свет. Лучи света имеют высокую направленность. Расходимость луча обычно не превышает 0,1°. Системой оптических линз луч фокусируется на поверхности обрабатываемой заготовки (рис. 7.15). Энергия светового импульса ОКГ обычно невелика и составляет 20-100 Дж, но она выделяется в миллионные доли секунды и сосредоточивается в луче диаметром —0,01 мм. В фокусе диаметр светового луча составляет всего несколько микрометров, что обеспечивает температуру 6000-8000 °С. В результате этого поверхностный слой материала заготовки, находящийся в фокусе луча, мгно­венно расплавляется и испаряется. Лазерную обработку применяют для прошивания сквозных и глухих отверстий, разрезки заготовок на части, вырезания загото­вок из листовых материалов, прорезания пазов. Этим методом можно обрабатывать заготовки из любых материалов, включая самые твердые и прочные. Например, лазерную обработку отверстий при­меняют при изготовлении диафрагм для электронно-лучевых уста­новок, дюз для дозирования воздуха или газов, деталей топливной аппаратуры дизелей, сит. Диафрагмы изготовляют из вольфра­мовой, танталовой, молибденовой или медной фольги, толщиной ~50 мкм при диаметре отверстия 20—30 мкм. С помощью лазерного луча можно выполнять контурную обработку по аналогии с фрезе­рованием, т. е. обработку поверхностей по сложному периметру. Перемещениями заготовки относительно светового луча управляют системы ЧПУ, что позволяет прорезать в заготовках сложные криволинейные пазы или вырезать из заготовок детали сложной геоме­трической формы.