4.6. Лучевые методы обработки

К лучевым методам формообразования поверхностей деталей машин относят электронно-лучевую и светолучевую (лазерную) обработку.

Электронно-лучевая обработка

Э лектронно-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.

Рис. 4.6.1. Схема электронно-лучевой установки

Схема установки для электронно-лучевой обработки (электронная пушка) показана на рис. 4.6.1. В вакуумной камере 1 установки 9 вольфрамовый катод 11, питаемый от источника в 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 числового программного управления (ЧПУ).

Система ЧПУ 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 ⁰С, а на расстоянии 1 мкм от кромки луча не превышает 300 ⁰С. 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 от 1 мм до 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 обработка

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.

Д ля 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.

Рис. 4.6.2. Схема оптического квантового генератора: 1 – источник тока; 2 – батарея конденсаторов; 3 – корпус; 4 – импульсная лампа; 5 – рубин; 6 – линзы; 7 – заготовка

Принцип действия ОКГ (рис. 4.6.2): электрическая энергия источника тока 1, запасенная в батарее конденсаторов 2, преобразуется в световую энергию импульсной лампы 4. Свет лампы 4 фокусируется на рубиновый стержень 5, и атомы хрома в стержне под действием световой энергии переходят в возбужденное состояние (электрон поднимается на более высокую орбиту). Если в возбужденном состоянии атом получает еще один фотон, то он излучает сразу два фотона, и одновременно электрон переходит на более низкую орбиту, атом возвращается в нормальное состояние. В стержне 5 происходит цепная реакция. Энергия, запасенная в течение 10^–3 с, выделяется за очень короткое время (около 10^–6 с) и сосредотачивается в луче диаметром около 0,01 мм. Линза 6 фокусирует луч на заготовке, в результате чего элементарный объем материала заготовки 7 расплавляется и испаряется.

Лучи света имеют высокую направленность. Расходимость луча обычно не превышает 0,1 ^о. 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 ⁰С. 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 около 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 криволинейный пазы или вырезать из заготовок детали сложной геометрической формы.