Инновационные методы обработки металлов. Обработка поверхности с удалением слоя материала

Обработку металла в современной промышленности принято различать по видам и методам. Наибольшее число видов обработки имеет самый "древний", механический метод: точение, сверление, растачивание, фрезерование, шлифование, полирование и т. д. Недостаток механической обработки - большие отходы металла в стружку, опилки, угар. Более экономный метод - штамповка, применяемая в меру развития производства стального листа. По за последние десятилетия появились новые методы, расширившие возможности металлообработки,- электрофизические и электрохимические.

В предыдущих статьях вы познакомились со штамповкой и резанием металлов. А теперь мы расскажем вам об электрофизических методах (электроэрозионном, ультразвуковом, световом, электроннолучевом) и электрохимических.

Электроэрозионная обработка

Все знают, какое разрушительное действие может произвести атмосферный электрический разряд -молния. Но не каждому известно, что уменьшенные до малых размеров электрические разряды с успехом используются в промышленности. Они помогают создавать из металлических заготовок сложнейшие детали машин и аппаратов.

На многих заводах сейчас работают станки, у которых инструментом служит мягкая латунная проволочка. Эта проволочка легко проникает в толщу заготовок из самых твердых металлов и сплавов, вырезая детали любой, порой прямо-таки причудливой формы. Как же это достигается? Присмотримся к работающему станку. В том месте, где инструмент-проволочка ближе всего расположен к заготовке, мы увидим светящиеся искорки-молнии, которые ударяют в заготовку.

Температура в месте воздействия этих электрических разрядов достигает 5000-10000° С. Ни один из известных металлов и сплавов не может противостоять таким температурам: они мгновенно плавятся и испаряются. Электрические заряды как бы "разъедают" металл. Поэтому и сам способ обработки получил название электроэрозионного (от латинского слова "эрозия" - "разъедание").

Каждый из возникающих разрядов удаляет маленькую частичку металла, и инструмент постепенно погружается в заготовку, копируя в ней свою форму.

Разряды между заготовкой и инструментом в электроэрозионных станках следуют один за другим с частотой от 50 до сотен тысяч в секунду в зависимости от того, какую скорость обработки и чистоту поверхности мы хотим получить. Уменьшая мощность разрядов и увеличивая частоту их следования, металл удаляют все меньшими частицами; при этом повышается чистота обработки, но уменьшается ее скорость. Действие каждого из разрядов должно быть кратковременным, чтобы испаряющийся металл сразу же охлаждался и не мог соединиться вновь с металлом заготовки.

Схема работы электроэрозионного станка для контурного вырезания отверстий сложных профилей. Нужную работу здесь производит электрический разряд, возникающий между инструментом - латунной проволокой и деталью.

При электроэрозионной обработке заготовку детали и инструмент из тугоплавкого или хорошо проводящего тепло материала присоединяют к источнику электрического тока. Чтобы действие разрядов тока было кратковременным, их периодически прерывают либо отключением напряжения, либо быстрым перемещением инструмента относительно поверхности обрабатываемой заготовки. Необходимое охлаждение выплавляемого и испаряемого металла, а также его удаление из рабочей зоны достигаются погружением обрабатываемой заготовки в токоне-проводящую жидкость - обычно машинное масло, керосин. Отсутствие токопроводимости у жидкости способствует тому, что разряд действует между инструментом и обрабатываемой заготовкой при очень малых расстояниях (10-150 мкм), т. е. только в том месте, к которому подведен инструмент и которое мы хотим подвергнуть действию тока.

Электроэрозионный станок обычно имеет устройства для перемещения инструмента в нужном направлении и источник электрического питания, возбуждающий разряды. В станке, имеется также система автоматического слежения за размером промежутка между обрабатываемой заготовкой и инструментом; она сближает инструмент с заготовкой, если этот промежуток чрезмерно велик, или отводит его от заготовки, если он слишком мал.

Как правило, электроэрозионный способ применяют в тех случаях, когда обработка на металлорежущих станках затруднена или невозможна. из-за твердости материала или когда сложная форма обрабатываемой детали не позволяет создать достаточно прочный режущий инструмент.

В качестве инструмента может использоваться не только проволочка, но и стержень, диск и др. Так, используя инструмент в виде стержня сложной объемной формы, получают как бы оттиск его в обрабатываемой заготовке. Вращающимся диском прожигают узкие щели и режут прочные металлы.

Электроэрозионный станок.

Существует несколько разновидностей электроэрозионного метода, каждая из которых обладает своими свойствами. Одни разновидности этого метода применяются для прожигания сложнофасонных полостей и вырезания отверстий, другие - для разрезания заготовок из жаропрочных и титановых сплавов и т. д. Перечислим некоторые из них.

При электроискровой обработке электрическим способом возбуждаются кратковременные искровые и искро-дуговые разряды температурой до 8000-10 000° С. Электрод-инструмент подключается к отрицательному, а обрабатываемая заготовка - к положительному полюсу источника электрического питания.

Электроимпульсную обработку производят электрические возбуждаемые и прерываемые дуговые разряды температурой до 5000° С. Полярность электрода-инструмента и обрабатываемой детали обратная по отношению к электроискровой обработке.

При анодно-механической обработке употребляют электрод-инструмент в виде диска или бесконечной ленты, который быстро перемещается относительно заготовки. При этом методе используют специальную жидкость, из которой на поверхность заготовки выпадает токонепроводящая пленка. Электрод-инструмент процарапывает пленку, и в местах, где на заготовке обнажилась поверхность, возникают разрушающие ее дуговые разряды. Они и производят нужную работу.

Еще более быстрое перемещение электрода, охлаждающее его поверхность и прерывающее дуговые разряды, применено при электроконтактной обработке, осуществляемой обычно в воздухе или в воде.

В нашей стране выпускают целый набор электроэрозионных станков для обработки самых различных деталей, начиная с очень маленьких и кончая крупными, массой до нескольких тонн.

Электроэрозионные станки работают сейчас во всех отраслях машиностроения. Так, на автомобильных и тракторных заводах их используют при изготовлении штампов коленчатых валов, шатунов и других деталей, на авиазаводах обрабатывают на электроэрозионных станках лопатки турбореактивных двигателей и детали гидроаппаратуры, на заводах электронных приборов - детали радиоламп и транзисторов, магниты и пресс-формы, на металлургических комбинатах разрезают прутки проката и слитки из особо твердых металлов и сплавов.

Работает ультразвук

Еще сравнительно недавно никто не мог и предположить, что звуком станут измерять глубину моря, сваривать металл, сверлить стекло и дубить кожи. А сейчас звук осваивает все новые и новые профессии.

Что же такое звук и благодаря чему он стал незаменимым помощником человека в ряде важнейших производственных процессов?

Звук - это упругие волны, распространяющиеся в виде чередующихся сжатий и разрежений частичек среды (воздуха, воды, твердых тел и т. д.). Измеряется частота звука количеством сжатий и разрежений: каждое сжатие и последующее разрежение образуют одно полное колебание. За единицу частоты звука принято полное колебание, которое совершается в 1 с. Эта единица называется герцем (Гц).

Звуковая волна несет с собой энергию, которая определяется как сила звука и за единицу которой принят 1 Вт/см 2 .

Человек воспринимает колебания различной частоты как звуки разной высоты. Низким звукам (бой барабана) соответствуют низкие частоты (100-200 Гц), высоким (свисток) - большие частоты (около 5 кГц, или 5000 Гц). Звуки ниже 30 Гц называются инфразвуками, а выше 15-20 кГц - ультразвуками. Ультразвуки и инфразвуки человеческое ухо не воспринимает.

Ухо человека приспособлено к восприятию звуковых волн очень малой силы. Например, раздражающий нас громкий крик имеет интенсивность, измеряемую нановаттами на квадратный сантиметр (нВт/см 2), т. е. миллиардными долями Вт/см 2 . Если превратить в тепло энергию от громкого одновременного разговора всех жителей Москвы в течение суток, то ее окажется недостаточно даже для того, чтобы вскипятить ведро воды. Такие слабые звуковые волны нельзя использовать для выполнения каких-либо производственных процессов. Конечно, искусственным путем можно создать звуковые волны во много раз более сильные, но они разрушат орган слуха человека, приведут к глухоте.

В области инфразвуковых частот, которые не опасны для уха человека, создать мощные колебания искусственным способом очень сложно. Иное дело -ультразвук. Сравнительно просто можно получить от искусственных источников ультразвук интенсивностью в несколько сотен Вт/см 2 , т. е. в 10 12 раз больше допустимой интенсивности звука, и этот ультразвук совершенно безвреден для человека. Поэтому, если говорить точнее, не звук, а ультразвук оказался тем мастером-универсалом, который нашел такое широкое применение в промышленности (см. т. 3 ДЭ, ст. "Звук").

Здесь мы расскажем только об использовании ультразвуковых колебаний в станках для обработки хрупких и твердых материалов. Как же устроены и работают такие станки?

Ультразвуковой станок.

Схема процесса ультразвуковой обработки.

Сердцем станка является преобразователь энергии высокочастотных колебаний электрического тока. Ток поступает на обмотку преобразователя от электронного генератора и превращается в энергию механических (ультразвуковых) колебаний той же частоты. Эти превращения происходят в результате магнитострикции - явления, которое заключается в том, что ряд материалов (никель, сплав железа с кобальтом и др.) в переменном магнитном поле изменяют свои линейные размеры с той же частотой, с которой изменяется поле.

Таким образом, высокочастотный электрический ток, проходя по обмотке, создает переменное магнитное поле, под воздействием которого колеблется преобразователь. Но получаемые амплитуды колебаний малы по размеру. Чтобы их увеличить и сделать пригодными для полезной работы, во-первых, настраивают всю систему в резонанс (добиваются равенства частоты колебаний электрического тока и собственной частоты колебаний преобразователя), а во-вторых, к преобразователю крепят специальный концентратор-волновод, который малые амплитуды колебаний на большей площади превращает в большие амплитуды на меньшей площади.

К торцу волновода присоединяют инструмент такой формы, какой хотят иметь отверстие. Инструмент вместе со всей колебательной системой прижимают с небольшим усилием к материалу, в котором надо получить отверстие, а к месту обработки подводят абразивную суспензию (зерна абразива меньше 100 мкм, смешанные с водой). Эти зерна попадают между инструментом и материалом, и инструмент, как отбойный молоток, вбивает их в материал. Если материал хрупкий, то зерна абразива откалывают от него микрочастицы размером 1-10 мкм. Казалось бы, немного! Но частиц абразива под инструментом сотни, и инструмент наносит 20 000 ударов в 1 с. Поэтому процесс обработки проходит достаточно быстро, и отверстие размером 20-30 мм в стекле толщиной 10-15 мм можно сделать за 1 мин. Ультразвуковой станок позволяет делать отверстия любой формы, причем даже в хрупких материалах, которые трудно обрабатывать.

Ультразвуковые станки широко применяются для изготовления твердосплавных матриц штампов, ячеек "памяти" вычислительных машин из феррита, кристаллов кремния и германия к полупроводниковым приборам и т. д.

Сейчас речь шла только об одном из многих случаев применения ультразвука. Однако он используется также для сварки, мойки, очистки, контроля, измерений и отлично выполняет эти свои обязанности. Ультразвук очень чисто "моет" и обезжиривает сложнейшие детали приборов, производит пайку и лужение алюминия и керамики, находит дефекты в металлических деталях, измеряет толщину деталей, определяет скорость течения жидкостей в разных системах и производит еще десятки других работ, которые без него не могут быть выполнены.

Электрохимическая обработка металлов

Если в сосуд с токопроводящей жидкостью ввести твердые проводящие пластинки (электроды) и подать на них напряжение, возникает электрический ток. Такие токопроводящие жидкости называются проводниками второго рода или электролитами. К их числу относятся растворы солей, кислот или щелочей в воде (или в других жидкостях), а также расплавы солей.

Электрохимический копировально-прошивочный станок.

Схема электролиза.

Схема электрохимической обработки отверстий сложных конфигураций в деталях.

Носителями тока в электролитах служат положительные и отрицательные частицы - ионы, на которые расщепляются в растворе молекулы растворенного вещества. При этом положительно заряженные ионы движутся к отрицательному электроду - катоду, отрицательные - к положительному электроду - аноду. В зависимости от химической природы электролита и электродов эти ионы либо выделяются на электродах, либо вступают в реакцию с электродами или растворителем. Продукты реакций либо выделяются на электродах, либо переходят в раствор. Это явление получило название электролиза.

Электролиз широко применяется в промышленности для изготовления металлических слепков с рельефных моделей, для нанесения защитных и декоративных покрытий на металлические изделия, для получения из расплавленных руд металлов, для очистки металлов, для получения тяжелой воды, в производстве хлора и др.

Одна из новых областей промышленного применения электролиза - электрохимическая размерная обработка металлов. Она основана на принципе растворения металла под действием тока в водных растворах солей.

Светолучевой станок для обработки алмазных фильтр.

Схема оптического квантового генератора: 1 - импульсная лампа; 2 - конденсатор; 3 - рубин; 4 - параллельные зеркала; 5 - линза.

При электрохимической размерной обработке электроды располагают в электролите на очень близком расстоянии друг от друга (50-500 мкм). Между ними под давлением прокачивают электролит. Благодаря этому металл растворяется чрезвычайно быстро, и если поддерживать постоянным расстояние между электродами, то на заготовке (аноде) можно получить достаточно точное отображение формы электрода-инструмента (катода).

Таким образом, с помощью электролиза можно сравнительно быстро (быстрее, чем механическим методом) изготавливать детали сложной формы, разрезать заготовки, делать в деталях отверстия или пазы любой формы, затачивать инструмент и т. д.

К преимуществам электрохимического метода обработки следует отнести, во-первых, возможность обрабатывать любые металлы, независимо от их механических свойств, во-вторых, то, что электрод-инструмент (катод) в процессе обработки не изнашивается.

Электрохимическая обработка производится на электрохимических станках. Их основные группы: универсальные копировально-прошивочные - для изготовления штампов, пресс-форм и других изделий сложной формы; специальные - для обработки лопаток турбин; заточные и шлифовальные - для заточки инструмента и плоского или профильного шлифования труднообрабатываемых металлов и сплавов.

Свет работает (лазер)

Вспомните "Гиперболоид инженера Гарина" А. Н. Толстого. Идеи, еще недавно считавшиеся фантастическими, становятся реальностью. Сегодня световым лучом прожигают отверстия в таких прочных и твердых материалах, как сталь, вольфрам, алмаз, и это уже никого не удивляет.

Всем вам приходилось, конечно, ловить солнечные зайчики или фокусировать линзой солнечный свет в маленькое яркое пятно и выжигать им разные рисунки на дереве. А вот на стальном предмете вы не сможете таким образом оставить какой-либо след. Конечно, если бы удалось сконцентрировать солнечный свет в очень маленькую точку, скажем, в неокольцо микрометров, то тогда удельная мощность (т. е. отношение мощности к площади) была бы достаточной, чтобы расплавить и даже испарить в этой точке любой материал. Но солнечный свет невозможно так сфокусировать.

Чтобы с помощью линзы сфокусировать свет в очень малое пятно и получить при этом большую удельную мощность, он должен обладать минимум тремя свойствами: быть монохроматическим, т. е. одноцветным, распространяться параллельно (иметь малую расходимость светового потока) и быть достаточно ярким.

Линза фокусирует лучи различного цвета на разном расстоянии. Так, лучи синего цвета собираются в фокус дальше, чем красного. Так как солнечный свет состоит из лучей различного цвета, от ультрафиолетового до инфракрасного, то и точно сфокусировать его не удается - фокусное пятно получается размытым, относительно большим. Очевидно, что монохроматический свет дает значительно меньшее по площади фокусное пятно.

Газовый лазер, применяемый для резки стекла, тонких пленок и тканей. В ближайшем будущем такие установки будут применяться для раскроя металлических заготовок значительной толщины.

Из геометрической оптики известно, что диаметр пятна света в фокусе тем меньше, чем меньше расходимость светового луча, падающего на линзу. Поэтому-то для поставленной нами цели необходимы параллельные лучи света.

И наконец, яркость нужна для того, чтобы создать в фокусе линзы большую удельную мощность.

Ни один из обычных источников света не обладает этими тремя свойствами одновременно. Источники монохроматического света маломощны, а мощные источники света, такие, как, например, электрическая дуга, имеют большую расходимость.

Однако в 1960 г. советские ученые - физики лауреаты Ленинской и Нобелевской премий Н. Г. Басов и А. М. Прохоров одновременно с лауреатом Нобелевской премии американским физиком Ч. Таунсом создали источник света, обладающий всеми необходимыми свойствами. Его назвали лазер, сокращенно от первых букв английского определения принципа его работы: light amplification by stimulated emission of radiation, т. е. усиление света с помощью стимулированного излучения. Другое название лазера - оптический квантовый генератор (сокращенно ОКГ).

Известно, Что всякое вещество состоит из атомов, а сам атом состоит из ядра, окруженного электронами. В обычном состоянии, которое называется основным, электроны так расположены вокруг ядра, что их энергия минимальна. Чтобы вывести электроны из основного состояния, необходимо сообщить им извне энергию, например осветить. Поглощение электронами энергии происходит не непрерывно, а отдельными порциями - квантами (см. т. 3 ДЭ, ст. "Волны и кванты"). Поглотившие энергию электроны переходят в возбужденное состояние, которое является неустойчивым. Через некоторое время они вновь возвращаются в основное состояние, отдавая поглощенную энергию. Этот процесс происходит не одномоментно. При этом оказалось, что возврат одного электрона в основное состояние и выделение- им при этом кванта света ускоряет (стимулирует) возврат в основное состояние других электронов, которые также выделяют кванты, и притом точно такие же по частоте и длине волны. Таким образом, мы получаем усиленный монохроматический луч.

Принцип работы светолучевого станка рассмотрим на примере ОКГ из искусственного рубина. Этот рубин получен синтетическим путем из окиси алюминия, в которой небольшое число атомов алюминия замещено атомами хрома.

В качестве внешнего источника энергии применяется импульсная лампа 1, подобная той, что используют для вспышки при фотографировании, но значительно более мощная. Источником питания лампы служит конденсатор 2. При излучении лампы атомы хрома, находящиеся в рубине 3, поглощают кванты света с длинами волн, которые соответствуют зеленой и синей частям видимого спектра, и переходят в возбужденное состояние. Лавинообразный возврат в основное состояние достигается с помощью-параллельных зеркал 4. Выделившиеся кванты света, соответствующие красной части спектра, многократно отражаются в зеркалах и, проходя через рубин, ускоряют возврат всех возбужденных электронов в основное состояние. Одно из зеркал делается полупрозрачным, и через него луч выводится наружу. Этот луч имеет очень малый угол расхождения, так как состоит из квантов света, многократно отраженных и не испытавших существенного отклонения от оси квантового генератора (см. рис. на стр. 267).

Такой мощный монохроматический луч с малой степенью расходимости фокусируется линзой 5 на обрабатываемую поверхность и дает чрезвычайно маленькое пятно (диаметром до 5-10 мкм). Благодаря этому достигается колоссальная удельная мощность, порядка 10 12 -10 16 Вт/см 2 . Это в сотни миллионов раз превышает мощность, которую можно получить при фокусировании солнечного света.

Такой удельной мощности достаточно, чтобы в зоне фокусного пятна в тысячные доли секунды испарить даже такой тугоплавкий металл, как вольфрам, и прожечь в нем отверстие.

Сейчас светолучевые станки широко применяются в промышленности для получения отверстий в часовых камнях из рубина, алмазах и твердых сплавах, в диафрагмах из тугоплавких труднообрабатываемых металлов. Новые станки позволили в десятки раз повысить производительность, улучшить условия труда и в ряде случаев изготавливать такие детали,. которые другими методами получить невозможно.

Лазер не только производит размерную обработку микроотверстий. Уже созданы и успешно работают светолучевые установки для резания изделий из стекла, для микросварки миниатюрных деталей и полупроводниковых приборов и др.

Лазерная технология, в сущности, только появилась и на наших глазах становится самостоятельной отраслью техники. Можно не сомневаться, что с помощью человека лазер в ближайшие годы "освоит" десятки новых полезных профессий и станет трудиться в цехах заводов, лабораториях и на стройках наравне с резцом и сверлом, электрическими дугой и разрядом, ультразвуком и электронным лучом.

Электроннолучевая обработка

Задумаемся над проблемой: каким образом крохотный участок поверхности - квадратик со стороной 10 мм - из весьма твердого материала разрезать на 1500 частей? С такой задачей повседневно встречаются те, кто занят изготовлением полупроводниковых приборов - микродиодов.

Эта задача может быть решена с помощью электронного луча - ускоренных до больших энергий и сфокусированных в остронаправленный поток электронов.

Обработка материалов (сварка, резание и т. п.) пучком электронов совсем новая область техники. Она родилась в 50-х годах нашего века. Возникновение новых методов обработки, разумеется, не случайно. В современной технике приходится иметь дело с очень твердыми, труднообрабатываемыми материалами. В электронной технике, например, применяются пластинки из чистого вольфрама, в которых необходимо просверлить сотни микроскопических отверстий диаметром в несколько десятков микрометров. Искусственные волокна изготовляют с помощью фильер, которые имеют отверстия сложного профиля и столь малые, что волокна, протягиваемые через них, получаются значительно тоньше человеческого волоса. Электронной промышленности нужны керамические пластинки толщиной 0,25 мм. На них должны быть сделаны прорези шириной 0,13 мм, при расстоянии между их осями 0,25 мм.

Старой технологии обработки такие задачи не по плечу. Поэтому ученые и инженеры обратились к электронам и заставили их выполнять технологические операции резания, сверления, фрезерования, сварки, выплавки и очистки металлов. Оказалось, что электронный луч обладает заманчивыми для технологии свойствами. Попадая на обрабатываемый материал, он в месте воздействия способен нагреть его до 6000° С (температура поверхности Солнца) и почти мгновенно испарить, образовав в материале отверстие или углубление. В то же время современная техника позволяет довольно легко, просто и в широких пределах регулировать энергию электронов, а следовательно, и температуру нагрева металла. Поэтому поток электронов может быть использован для процессов, которые требуют различных мощностей и протекают при самых разных температурах, например для плавки и очистки, для сварки и резания металлов и т. п.

Электронный луч способен прорезать даже в самом твердом металле тончайшее отверстие. На рисунке: схема электронной пушки.

Чрезвычайно ценно также, что действие электронного луча не сопровождается ударными нагрузками на изделие. Особенно это важно при обработке хрупких материалов, таких, как стекло, кварц. Скорость обработки на электроннолучевых установках микроотверстий и очень узких щелей существенно выше, чем на обычных станках.

Установки для обработки электронным лучом -это сложные устройства, основанные на достижениях современной электроники, электротехники и автоматики. Основная их часть - электронная пушка, генерирующая пучок электронов. Электроны, вылетающие с подогретого катода, остро фокусируются и ускоряются специальными электростатическими и магнитными устройствами. Благодаря им электронный луч может быть сфокусирован на площадке диаметром менее 1 мкм. Точная фокусировка позволяет достигать и огромной концентрации энергии электронов, благодаря чему можно получить поверхностную плотность излучения порядка 15 МВт/мм 2 . Обработка ведется в высоком вакууме (остаточное давление примерно равно 7 МПа). Это необходимо, чтобы создать для электронов условия свободного, без помех, пробега от катода до заготовки. Поэтому установка снабжена вакуумной камерой и вакуумной системой.

Обрабатываемое изделие устанавливают на столе, который может двигаться ло-горизонтали и вертикали. Луч благодаря специальному отклоняющему устройству также может перемещаться на небольшие расстояния (3-5 мм). Когда отклоняющее устройство отключено и стол неподвижен, электронный луч может просверлить в изделии отверстие диаметром 5-10 мкм. Если включить отклоняющее устройство (оставив стол неподвижным), то луч, перемещаясь, будет действовать как фреза и сможет прожигать небольшие пазы различной конфигурации. Когда же нужно "отфрезеровать" более длинные пазы, то перемещают стол, оставляя луч неподвижным.

Интересна обработка материалов электронным лучом с помощью так называемых масок. В установке на подвижном столике располагаю* маску. Тень от нее в уменьшенном масштабе проектируется формирующей линзой на деталь, и электронный луч обрабатывает поверхность, ограниченную контурами маски.

Контролируют ход электронной обработки обычно с помощью оптического микроскопа. Он позволяет точно установить луч до начала обработки, например резания по заданному контуру и наблюдать за процессом. Электроннолучевые установки часто оснащаются программирующим устройством, которое автоматически задает темп и последовательность операций.

Обработка токами высокой частоты

Если тигель с помещенным в нем куском металла обмотать несколькими витками провода и пустить по этому проводу (индуктору) переменный ток высокой частоты, то металл в тигле начнет нагреваться и через некоторое время расплавится. Такова принципиальная схема применения токов высокой частоты (ТВЧ) для нагрева. Но что при этом происходит?

Например, разогреваемое вещество - проводник. Переменное магнитное поле, которое появляется при прохождении переменного тока по виткам индуктора, заставляет электроны свободно двигаться, т. е. порождает вихревые индукционные токи. Они и разогревают кусок металла. Диэлектрик же разогревается за счет того, что магнитное поле колеблет в нем ионы и молекулы, "раскачивает" их. А ведь вы знаете, что чем быстрее движутся частицы вещества, тем выше его температура.

Принципиальная схема действия установки для нагрева изделий токами высокой частоты.

Для высокочастотного нагрева сейчас наиболее широко применяются токи с частотой от 1500 Гц до 3 ГГц и выше. При этом нагревательные установки, использующие ТВЧ, нередко имеют мощность в сотни и тысячи киловатт. Их конструкция зависит от размеров и формы нагреваемых объектов, от их электрического сопротивления, от того, какой нагрев требуется - сплошной или частичный, глубокий или поверхностный, и от других факторов.

Чем больше размеры нагреваемого объекта и чем выше электрическая проводимость материала, тем более низкие частоты можно применять для нагрева. И наоборот, чем меньше электрическая проводимость, чем меньше габариты нагреваемых деталей, тем более высокие частоты необходимы.

Какие же технологические операции в современной промышленности осуществляются с помощью ТВЧ?

Прежде всего, как мы уже говорили, плавка. Высокочастотные плавильные печи сейчас работают на многих предприятиях. В них выплавляют высококачественные сорта стали, магнитные и жаростойкие сплавы. Часто плавка производится в разреженном пространстве - в глубоком вакууме. При вакуумной плавке получаются металлы и сплавы наивысшей чистоты.

Вторая важнейшая "профессия" ТВЧ - закаливание металла (см. ст. "Защита металла").

Многие важные детали автомобилей, тракторов, металлорежущих станков и других машин и механизмов теперь закаливаются токами высокой частоты.

Нагрев ТВЧ позволяет получить высококачественную скоростную пайку различными припоями.

ТВЧ нагревают стальные заготовки для обработки их давлением (для штамповки, ковки, накатки). При нагреве ТВЧ не образуется окалины. Это экономит металл, увеличивает срок службы штампов, улучшает качество поковок. Облегчается и оздоровляется труд рабочих.

До сих пор мы говорили о ТВЧ в связи с обработкой металлов. Но этим не ограничивается круг их " деятельности ".

Очень широко применяются ТВЧ и для обработки таких важных материалов, как пластмассы. На заводах пластмассовых изделий в установках ТВЧ нагревают заготовки перед прессованием. Хорошо помогает нагрев ТВЧ при склеивании. Многослойные небьющиеся стекла с пластмассовыми прокладками между слоями стекла изготавливают при нагреве ТВЧ в прессах. Так же, кстати, нагревают древесину при изготовлении древесностружечных плит, некоторые сорта фанеры и фасонные изделия из нее. А для сварки швов в изделиях из тонких листов пластмасс применяют специальные машины ТВЧ, напоминающие швейные. Этим способом изготавливают чехлы, футляры, коробки, трубы.

Последние годы все шире применяется нагрев ТВЧ в стекольном производстве - для сварки различных стеклянных изделий (труб, пустотелых блоков) и при варке стекла.

Нагрев ТВЧ имеет большие преимущества перед другими методами нагрева еще и потому, что в ряде случаев основанный на нем технологический процесс лучше поддается автоматизации.

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.

Токарно-фрезерная обработка

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.

Электроэрозионная обработка

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

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

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 CO 2 -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.

Различают три основных направления:

1. Формоизменение при помощи высокоточных методов пластического деформирования.
2. Применение традиционных способов металлообработки, но отличающихся повышенной точностью и производительностью.
3. Использование высокоэнергетических методов.

Выбор оптимального метода обработки определяется производственными требованиями и серийностью производства . Например, переутяжелённые конструкции оборудования вызывают повышенный расход энергии, а сниженная точность изготовления отдельных деталей и узлов – низкую производительность техники. Некоторые технологии не могут обеспечить необходимые прочностные свойства и микроструктуру металла, что в итоге сказывается на долговечности и стойкости деталей, пусть даже и изготовленных с минимальными допусками. Новая технология обработки металла основана на использовании нетрадиционных источников энергии, которые обеспечивают его размерное плавление, испарение или формообразование.

Мехобработка, связанная со снятием стружки, развивается в направлении изготовления особо высокоточных изделий преимущественно в мелкосерийном производстве. Поэтому традиционные станки уступают место оперативно переналаживаемым металлообрабатывающим комплексам с ЧПУ. Сравнительно невысокий коэффициент использования материала (при мехобработке он редко когда превышает 70…80% ) компенсируется минимальными допусками и высоким качеством финишной поверхности изделий.

Производители систем с числовым управлением делают основной упор на расширенные технологические возможности рассматриваемого оборудования, использовании современных высокостойких инструментальных сталей и исключении ручного труда оператора. Все подготовительно-заключительные операции на таких комплексах выполняет робототехника.

Энергосберегающие методы пластического деформирования металлов

Технология обработки металлов давлением, кроме повышенного коэффициента использования металла, обладает и другими существенными достоинствами :

• В результате пластического деформирования улучшается макро- и микроструктура изделия;
• Производительность оборудования для штамповки в разы превышает аналогичный показатель для металлорежущих станков;
• После обработки давлением повышается прочность металла, возрастает его стойкость от динамических и ударных нагрузок.

Прогрессивные процессы холодной и полугорячей штамповки – дорнование, точная резка, выдавливание, ультразвуковая обработка, штамповка в состоянии сверхпластичности, жидкая штамповка. Многие из них реализуются на автоматизированном оборудовании, оснащаемом компьютерными системами контроля и управления. Точность изготовления штампованных изделий во многих случаях не требует последующей их доводки – правки, шлифования и т.д.

Высокоэнергетические способы формоизменения

Высокоэнергетические технологии применяются в тех случаях, когда традиционными методами изменять форму и размеры металлической заготовки невозможно.

При этом используются четыре вида энергии :

1. Гидравлическая - давления жидкости, либо отдельных элементов, приводимых ею в движение.
2. Электрическая , при которой все процессы съёма материала выполняются с помощью разряда – дугового или искрового.
3. Электромагнитная , реализующая процесс металлообработки при воздействии на заготовку электромагнитного поля.
4. Электрофизическая , действующая на поверхность направленным лучом лазера.

Существуют и успешно развиваются также комбинированные способы воздействия на металл, при которых используются два и более источника энергии.

Основана на поверхностном воздействии жидкости высокого давления. Подобные установки применяются, в основном, с целью повышения качества поверхности, снятия микронеровностей, очистки поверхности от ржавчины, окалины и т.п. При этом струя жидкости может воздействовать на изделие как непосредственно, так и через абразивные компоненты, находящиеся в потоке. Абразивный материал, содержащийся в эмульсии, постоянно обновляется, чтобы обеспечить стабильность получаемых результатов.

– процесс размерного разрушения (эрозии) поверхности металла при воздействии на него импульсного, искрового или дугового разряда. Высокая плотность объёмной тепловой мощности источника приводит к размерному плавлению микрочастиц металла с последующим выносом их из зоны обработки потоком диэлектрической рабочей среды (масла, эмульсии). Поскольку при металлообработке одновременно происходят процессы локального нагрева поверхности до весьма высоких температур, то в результате твёрдость детали в зоне обработки существенно увеличивается.

Заключается в том, что обрабатываемое изделие помещается в мощное электромагнитное поле, силовые линии которого воздействуют на заготовку, помещённую в диэлектрик. Таким способом производят формовку малопластичных сплавов (например, титана или бериллия), а также листовых заготовок из стали. Аналогичным образом на поверхность действуют и ультразвуковые волны , генерируемые магнитострикционными или пьезоэлектрическими преобразователями частоты. Высокочастотные колебания применяются также и для поверхностной термообработки металлов.

Наиболее концентрированным источником тепловой энергии является лазер. – единственный способ получения в заготовках сверхмалых отверстий повышенной размерной точности. Ввиду направленности теплового действия лазера на металл, последний в прилегающих зонах интенсивно упрочняется. Лазерный луч способен производить размерную прошивку таких тугоплавких химических элементов, как вольфрам или молибден.

– пример комбинированного воздействия на поверхность химическими реакциями, возникающими при прохождении через заготовку электрического тока. В результате происходит насыщение поверхностного слоя соединениями, которые могут образовываться лишь при повышенных температурах: карбидами, нитридами, сульфидами. Подобными технологиями может выполняться поверхностное покрытие другими металлами, что используется для производства биметаллических деталей и узлов (пластин, радиаторов и т.д.).

Современные технологии обработки металлов непрерывно совершенствуются, используя новейшие достижения науки и техники.

Механическая обработка - это процесс, во время которого изменяются размеры и конфигурация заготовок и деталей. Если же говорить о металлических изделиях, то для их обработки используются специальные режущие инструменты, такие как резцы, протяжки, сверла, метчики, фрезы и т. д. Все операции выполняются на металлорежущих станках согласно технологической карте. В данной статье мы узнаем, какие бывают способы и виды механической обработки металлов.

Способы обработки

Механообработка подразделяется на две большие группы. В первую входят операции, которые происходят без снятия металла. К ним относят ковку, штамповку, прессование, прокат. Это так называемая с помощью давления или удара. Её применяют для того, чтобы придать необходимую форму заготовке. Для цветных металлов чаще всего используют ковку, а для черных - штамповку.

Вторая группа включает в себя операции, в ходе которых с заготовки снимается часть металла. Это необходимо для придания ей необходимых размеров. Такая механическая обработка металла называется резанием и выполняется при помощи Наиболее распространенными способами обработки являются точение, сверление, зенкерование, шлифование, фрезерование, развертывание, долбление, строгание и протягивание.

От чего зависит вид обработки

Изготовление металлической детали из заготовки - трудоёмкий и достаточно сложный процесс. Он включает в себя множество различных операций. Одной из них является механическая обработка металла. Прежде чем к ней приступить, составляют технологическую карту и делают чертеж готовой детали с указанием всех необходимых размеров и классов точности. В некоторых случаях для промежуточных операций также подготавливают отдельный чертеж.

Кроме того, существует черновая, получистовая и чистовая механическая обработка металла. Для каждой из них выполняется расчет и припусков. Вид обработки металла в целом зависит от обрабатываемой поверхности, класса точности, параметров шероховатости и размеров детали. Например, для получения отверстия по квалитету Н11 используют черновое сверление сверлом, а для получистого развертывания на 3 класс точности можно использовать развертку или же зенкер. Далее мы изучим способы механической обработки металлов более детально.

Точение и сверление

Точение выполняется на станках токарной группы при помощи резцов. Заготовка крепится в шпиндель, который вращается с заданной скоростью. А резец, закрепленный в суппорте, совершает продольно-поперечные движения. В новых ЧПУ-станках все данные параметры вводятся в компьютер, и устройство само выполняет необходимую операцию. В старых моделях, например, 16К20 продольно-поперечные движения выполняются вручную. На токарных станках возможно точение фасонных, конических и цилиндрических поверхностей.

Сверление - это операция, которую выполняют для получения отверстий. Главным рабочим инструментом является сверло. Как правило, сверление не обеспечивает высокий класс точности и является либо черновой, либо получистовой обработкой. Для получения отверстия с квалитетом ниже Н8 используют развертывание, рассверливание, растачивание и зенкерование. Кроме того, после сверления также могут выполнять нарезание внутренней резьбы. Такая механическая обработка металла выполняется при помощи метчиков и некоторых видов резцов.

Фрезерование и шлифование

Фрезерование - один из наиболее интересных способов обработки металлов. Данная операция выполняется при помощи самых разнообразных фрез на фрезерных станках. Различают концевую, фасонную, торцевую и периферийную обработку. Фрезерование может быть как черновым и получистовым, так и чистовым. Наименьший квалитет точности, получаемый при чистовой обработке,- 6. При помощи фрез вытачивают различные шпонки, канавки, колодцы, подсечки, фрезеруют профили.

Шлифование - механическая операция, используемая для повышения качества шероховатости, а также для снятия лишнего слоя металла вплоть до микрона. Как правило, данная обработка является завершающим этапом при изготовлении деталей, а значит, является чистовой. Для срезания используются на поверхности которых расположено огромное количество зерен, имеющих разную форму режущей кромки. При такой обработке деталь очень сильно нагревается. Для того чтобы металл не деформировался и не надкололся, используют смазочно-охлаждающие жидкости (СОРЖ). Механическая обработка цветных металлов осуществляется при помощи алмазных инструментов. Это позволяет обеспечить наилучшее качество изготавливаемой детали.

Химические и электрические способы обработки материалов

При обработке металлов резанием получение деталей необходимых размеров достигается снятием стружки с поверхности обрабатываемой заготовки. Стружка, таким образом, является одним из наиболее распространенных отходов в металлообработке, объем которого составляет примерно 8 млн. т. в год. При этом, по меньшей мере 2 млн. т. - это отходы переработки высоколегированных и других особо ценных сталей. При обработке на современных металлорежущих станках в стружку зачастую идет до 30 - 40 % металла от общей массы заготовки.

К новым методам обработки металлов относятся химические, электрические, плазменные, лазерные, ультразвуковые, а также гидропластическая обработка металлов.

При химической обработке используется химическая энергия. Снятие определенного слоя металла осуществляется в химически активной среде (химическое фрезерование). Оно заключается в регулируемом по времени и месту растворении металла в ваннах. Поверхности, не подлежащие обработке, защищают химически стойкими покрытиями (лаки, краски, светочувствительные эмульсии и др.). Постоянство скорости травления поддерживается за счет неизменной концентрации раствора. Химическими методами обработки получают местные утончения и щели; «вафельные» поверхности; обрабатывают труднодоступные поверхности.

При электрическом методе электрическая энергия преобразуется в тепловую, химическую и другие виды энергии, участвующие непосредственно в процессе удаления заданного слоя. В соответствии с этим электрические методы обработки разделяют на электрохимические, электроэрозионные, электротермические и электромеханические.

Электрохимическая обработка основана на законах анодного растворения металла при электролизе. При прохождении постоянного электрического тока через электролит на поверхности заготовки, включенной в электрическую цепь и являющейся анодом, происходят химические реакции и образуются соединения, которые переходят в раствор или легко удаляются механическим способом. Электрохимическую обработку применяют при полировании, размерной обработке, хонинговании, шлифовании, очистке металлов от оксидов, ржавчины и т.д.

Анодно-механическая обработка сочетает электротермические и электромеханические процессы и занимает промежуточное место между электрохимическим и электроэрозионным методами. Обрабатываемую заготовку подключают к аноду, а инструмент - к катоду. В качестве инструмента используют металлические диски, цилиндры, ленты, проволоку. Обработку ведут в среде электролита. Заготовке и инструменту задают такие же движения, как при обычных методах механической обработки. Электролит подают в зону обработки через сопло.

При пропускании через раствор электролита постоянного электрического тока происходит процесс анодного растворения металла, как при электрохимической обработке. При соприкосновении инструмента-катода с микронеровностями обрабатываемой поверхности заготовки-анода происходит процесс электроэрозии, присущий электроискровой обработке.

Продукты электроэрозии и анодного растворения удаляются из зоны обработки при движении инструмента и заготовки.

Электроэрозионная обработка основана на законах эрозии (разрушения) электродов из токопроводящих материалов при пропускании между ними импульсного электрического тока. Она применяется для прошивания полостей и отверстий любой формы, разрезания, шлифования, гравирования, затачивания и упрочнения инструмента. В зависимости от параметров и вида импульсов, применяемых для их получения генераторов, электроэрозионная обработка разделяется на электроискровую, электроимпульсную и электроконтактную.

При определенном значении разности потенциалов на электродах, одним из которых является обрабатываемая заготовка (анод), а другим - инструмент (катод), между электродами образуется канал проводимости, по которому проходит импульсный искровой (электроискровая обработка) или дуговой (электроимпульсная обработка) разряд. В результате температура на поверхности обрабатываемой заготовки возрастает. При этой температуре мгновенно оплавляется и испаряется элементарный объем металла и на обрабатываемой поверхности заготовки образуется лунка. Удаленный металл застывает в виде мелких гранул. Следующий импульс тока пробивает межэлектродный промежуток там, где расстояние между электродами наименьшее. При непрерывном подведении к электродам импульсного тока процесс их эрозии продолжается до тех пор, пока не будет удален весь металл, находящийся между электродами на расстоянии, на котором возможен электрический пробой (0,01 - 0,05 мм) при заданном напряжении. Для продолжения процесса необходимо сблизить электроды до указанного расстояния. Электроды сближаются автоматически с помощью следящего устройства того или иного типа.

Электроискровую обработку применяют для изготовления штампов, пресс-форм, фильер, режущего инструмента, деталей двигателей внутреннего сгорания, сеток и для упрочнения поверхностного слоя деталей.

Электроконтактная обработка основана на локальном нагреве заготовки в месте контакта с электродом-инструментом и удалении размягченного или расплавленного металла из зоны обработки механическим способом (при относительном перемещении заготовки и инструмента).

Электромеханическая обработка связана преимущественно с механическим действием электрического тока. На этом основана, например, электрогидравлическая обработка, использующая действие ударных волн, возникающих в результате импульсного пробоя жидкой среды.

Ультразвуковая обработка металлов - разновидность механической обработки - основана на разрушении обрабатываемого материала абразивными зернами под ударами инструмента, колеблющегося с ультразвуковой частотой. Источником энергии служат электрозвуковые генераторы тока с частотой 16 - 30 кГц. Рабочий инструмент - пуансон - закрепляют на волноводе генератора тока. Под пуансоном устанавливают заготовку, и в зону обработки поступает суспензия, состоящая из воды и абразивного материала. Процесс обработки заключается в том, что инструмент, колеблющийся с ультразвуковой частотой, ударяет по зернам абразива, лежащим на обрабатываемой поверхности, которые скалывают частицы материала заготовки.