6.12.5. Лучевые методы обработки

К лучевым методам обработки заготовок относят резание электронным и когерентным световыми лучами. Электронно-лучевая обработка основана на превращении кинетической энергии пучка электронов в тепловую. Высокая плотность энергии сфокусированного электронного луча позволяет осуществлять размерную обработку заготовок вследствие расплавления и испарения материала с узколокального участка.

Электронное устройство, в котором происходит получение, ускорение и фокусировка электронного луча, называется электронно-оптической трубкой или электронной пушкой (рис. 6.121.). Источником электронов при электронно-лучевой обработке является катод, изготовленный из вольфрама или тантала. Нить катода разогревается д

Рис. 6.121. Схема электронно – лучевого езания.

о 22000⁰С и в результате электронной эмиссии образуется поток электронов. Электроны, получаемые из электронной пушки, ускоряются мощным электронным полем и попадают на поверхность обрабатываемой заготовки со скоростью 150 … 200 км/с.

Необходимое ускоряющее напряжение (до нескольких десятков тысяч вольт) прикладывается между катодом и анодом. Фокусирование такого потока электронов, осуществляемое электромагнитной линзой, обеспечивает крайне малый диаметр луча в месте обработки, т. е. плотность энергии достигает нескольких тысяч киловатт на один квадратный миллиметр. Диаметр сфокусированного электронного луча составляет несколько микрометров.

Стигматор придает лучу круглую форму, а перемещение луча по поверхности заготовки осуществляется отклоняющей системой, которая может управляться от системы программного управления.

Система ПУ также управляет продольными и поперечными перемещениями стола, на котором закреплена заготовка, продолжительностью импульсов и интервалами 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 она не превышает 300 ⁰С. Продолжительность импульса и интервалы между ними подбирают так, чтобы за один цикл успел нагреться и испариться металл только под лучом, теплота не успела бы распространиться на всю заготовку. Длительность импульсов составляет – 10^-4…10^-6с, а частота импульсов – 50 … 6000 Гц. Отличительными особенностями размерного электронно-лучевого резания по сравнению со сваркой электронным лучом является острая фокусировка луча с повышенной плотностью энергии и импульсной его подачей.

Достоинствами электронно-лучевой обработки являются: возможность обработки сверхпрочных материалов и сплавов (тантала, вольфрама, циркония), а также неметаллических материалов (рубина, керамики, кварца). Этот способ применяют, например, для получения отверстий диаметром от 1 мм до 5 мкм в драгоценных камнях, служащих подшипниками в приборах, в впрыскивающих соплах и других деталях. Электронно-лучевой метод наиболее перспективен при прорезании пазов, резки заготовок, изготовлении тонких пленок и сеток из фольги. Повышенная чистота окружающей среды (обработка происходит в вакууме) позволяет обрабатывать заготовки из легкоокисляющихся активных материалов.

Потребляемая мощность при электронно-лучевом резании меньше, чем при любом другом тепловом методе резания, так как при этом методе обеспечивается очень высокая концентрация тепловой энергии.

Светолучевая (лазерная) обработкаили обработка когерентным световым лучом, импульсным или непрерывным, основана на использовании электромагнитных колебаний светового диапазона, получаемых с помощью оптико-квантовых генераторов (лазеров). Существуют твердотельные, газовые и полупроводниковые генераторы.

Работа оптических квантовых генераторов основана на принципе стимулированного генерирования светового излучения. Атом вещества, имея определенный запас энергии, находится в устойчивом энергетическом состоянии и располагается на определенном энергетическом уровне. Чтобы атом вывести из устойчивого (стабильного) энергетического состояния, его необходимо возбудить. Возбуждение – «накачка» активного вещества – осуществляется 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 лазеры, рабочим элементом которых является рубиновый стержень, состоящий из окиси алюминия, активированного 0,05% хрома. Рубиновый лазер работает в импульсном режиме, генерируя импульсы когерентного монохроматического красного цвета. При включении пускового устройства лазера электрическая энергия, запасенная в батарее конденсаторов, преобразуется в световую энергию импульсной лампы. Свет лампы отражателями корпуса фокусируется на рубиновый стержень, в результате чего 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 лавинообразные потоки фотонов в различных направлениях. Наличие торцовых зеркальных поверхностей рубинового стержня приводит к тому, что при многократном отражении усиливаются свободные колебания в направлении оси стрежня 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 ⁰. Системой оптических линз луч фокусируется на поверхности обрабатываемой заготовки.

Энергия светового импульса лазера обычно невелика и составляет от 20 до 100 Дж, но она выделяется в миллионные доли секунды и сосредотачивается в луче диаметром около 0,01 мм. В фокусе диаметр светового луча составляет всего несколько микрометров, что обеспечивает температуру около 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, резки заготовок на части, вырезания заготовок из листового материала, прорезания пазов и других способов формообразования поверхностей. Этим методом можно обрабатывать заготовки из любых материалов, включая самые твердые и прочные. Перемещениями заготовки относительно светового луча управляют системы ЧПУ, что позволяе6т прорезать в заготовках сложные криволинейные пазы и вырезать из заготовок детали сложной геометрической формы.