Лучевые методы размерной обработки

К лучевым методам электрофизической обработки относятся электронно-лучевая (ЭЛО) и светолучевая (СЛО) обработки. Различие носителей энергии обусловило технологические особенности методов лучевой обработки.

Рис. 32.10. Условная схема процесса электроннолучевой обработки:

• 1 — электронно-лучевая пушка;
• 2 — катод; 3 — анод; 4 — фокусирующие и отклоняющие катушки; 5 — вакуумная камера; 6 — обрабатываемая деталь; 7 — координатный стол

Электронно-лучевая размерная обработка.

При электроннолучевой обработке для съема материала при формообразовании используют кинетическую энергию сфокусированного пучка электронов (рис. 32.10). Процесс ЭЛО осуществляется в вакууме при остаточном давлении газа 5−10−2—10'3 Па.

Формирование, фокусировка электронного луча и управление им осуществляются в электронной пушке. Электроны, эмитируемые катодом, ускоряются напряжением до 150 кВ, в результате скорость электронов в луче достигает 20—10⁴ м/с. После фокусировки плотность энергии в пучке составляет 10⁸— 10⁹ Вт/см². Сфокусированный пучок электронов проходит в рабочую камеру и бомбардирует обрабатываемую поверхность. При бомбардировке кинетическая энергия электронов преобразуется в тепловую энергию обрабатываемого вещества. Преобразование происходит при неупругих столкновениях быстрых электронов с электронами атомов вещества и последующем взаимодействии возбужденных атомов с атомной решеткой, вызывающем увеличение температуры вещества.

Электронно-лучевой нагрев ведется в импульсном режиме. При используемой удельной мощности тепловое воздействие луча приводит к разрушению нагреваемого микрообъема материала за время одного импульса. Разрушение происходит по механизму взрывного вскипания с выносом материала из зоны обработки в виде паров и капель. В результате на бомбардируемом электронным лучом участке поверхности формируется лунка.

На поверхности лунки образуется слой оплавленного металла, снижающий точность обработки. Размеры лунки, нагрев и доля жидкого металла на ее стенках регулируются мощностью и длительностью импульса, а также диаметром луча.

Формируемые в результате электронно-лучевой обработки поверхности определяются траекторией взаимного перемещения луча и детали. Устанавливаемый в рабочей камере манипулятор позволяет придавать заготовке поступательное и вращательное движение, а установленная в электронной пушке электромагнитная система развертки позволяет сканировать (перемещать) электронный пучок по заданному контуру.

Основные операции обработки — сверление глухих и сквозных отверстий, в том числе под углом к поверхности, — выполняются при неподвижном изделии и луче; фрезерование сквозных и глухих пазов, контурная резка листового материала выполняются при перемещении изделия относительно неподвижного луча или сканировании луча по контуру реза при неподвижном изделии (рис. 32.11).

Технологические параметры. Параметрами режима ЭЛО являются ток луча /, ускоряющее напряжение U, ток фокусирующей системы /ф (определяющий диаметр электронного пучка d), рабочее расстояние (фокусное расстояние от центра фокусирующей системы до поверхности детали), скорость перемещения электронного луча относительно изделия v.

Одним из определяющих параметров процесса является удельная мощность q (Вт/см²):

где D — диаметр лунки (обычно на 10—15% больше d).

При ЭЛО применяют исключительно импульсные режимы, снижая количество расплавленного металла на обрабатываемой поверхности.

Для размерной ЭЛО характерны следующие режимы:

• • моноимпульсный — обработка ведется одиночным импульсом, т. е. отверстие получается за время одного импульса;
• • многоимпульсный — отверстие формируется в результате последовательного воздействия нескольких импульсов;
• • режим обработки с перемещением электронного луча относительно заготовки с заданной скоростью.

Установлены следующие эмпирические соотношения параметров режима с геометрическими параметрами образующихся отверстий и пазов.

Рис. 32.11. Схемы ЭЛО:

а — перфорация отверстий; б — контурная резка; в — фрезерование сквозных и глухих пазов Диаметр d_K и глубина Н отверстия увеличиваются с ростом энергии W линейно, а зависимость d_K и Н от длительности импульса и тока луча имеет степенной характер.

Угол сходимости луча и положение фокуса луча относительно обрабатываемой поверхности определяют размеры и форму отверстия. Наибольшую глубину и наименьший диаметр отверстия в результате воздействия единичного импульса достигают при заглублении фокуса на 0,1—0,3 мм относительно обрабатываемой поверхности. В этом случае глубина обработки возрастает на 30%. При оптимальных положении фокуса и длительности единичных импульсов, обеспечивающих максимальную производительность обработки, глубина микроотвсрстий в зависимости от тока луча, напряжения и числа единичных импульсов (п) выражается эмпирической зависимостью.

Процесс импульсной ЭЛО на оптимальных режимах характеризуется наличием минимального количества жидкой фазы и, как следствие, высокой точностью обработки.

Область применения ЭЛО. Электронным лучом обрабатываются как электропроводные, так и неэлектропроводные материалы. Их обрабатываемость не зависит от механических свойств материала, а определяется его физическими характеристиками: температурой плавления, теплоемкостью, удельной теплотой испарения и упругостью пара.

В первую очередь электронный луч применяют для размерной обработки твердых труднообрабатываемых материалов, таких как алмаз, вольфрам, титан, твердые и высоколегированные сплавы, ковар, инвар, кварц, керамика, рубин, кристаллы кремния, германия, резистивные пленки на ситалловой и кварцевой подложках.

В качестве эффективных примеров применения ЭЛО можно назвать следующие.

• 1. Перфорация отверстий (рис. 32.11, а — получение сквозных и глухих отверстий) в различных материалах используется при изготовлении фильтров, «потеющих» поверхностей для охлаждения камер сгорания и лопаток турбин. ЭЛО при моноимпульсном режиме обеспечивает получение отверстий диаметром 0,015—0,3 мм с максимальной глубиной 3—5 мм со скоростью перфорации до 5000 отв./с.
• 2. Изготовление единичных сквозных и глухих отверстий при сверлении кремниевых и ситалловых подложек, рубиновых часовых камней, черновом сверлении алмазных волок, при изготовлении топливной аппаратуры двигателей внутреннего сгорания и других изделий. Метод обеспечивает получение отверстий диаметром 0,01—0,5 мм с максимальной глубиной 10 мм (для металлов) и 15—20 мм (для диэлектриков).
• 3. Формообразование деталей сложной формы из листа и пластин с использованием контурной резки (рис. 32.11, б). Метод позволяет получать детали из феррита, кремния, германия и фильеры с шириной реза 0,015—0,4 мм при наибольшей глубине обработки 3 мм.
• 4. Фрезерование сквозных и глухих пазов (рис. 32.11, в).

ЭЛО обеспечивает высокую точность и малую шероховатость обработанной поверхности. Так, шероховатость составляет: при свер;

03/— 1.6/— и 0,8/— Rz80/—.

лении отверстии v — v, контурной резке — v, а точность получаемых отверстий составляет -1% от диаметра.

К недостаткам метода относятся необходимость использования вакуумной среды при обработке любых материалов; ограниченный круг выполняемых операций; высокая стоимость высоковольтного и вакуумного оборудования.

Светолучевая (лазерная) размерная обработка использует для съема материала при формообразовании деталей сфокусированный поток электромагнитной энергии высокой мощности, сформированный оптическим квантовым генератором (ОКГ). СЛО во многих случаях заменяет электронно-лучевую, так как лазерная обработка ведется на воздухе и не требует специальных вакуумных камер. Она позволяет обрабатывать любые материалы независимо от их твердости и вязкости. Метод используется для сверления отверстий, вырезания заготовок, фрезерования пазов и т. д.

Благодаря созданию мощного промышленного оборудования лазерная размерная обработка используется не только для обработки прецизионных деталей, но и в машиностроении. Схемы процессов приведены на рис. 32.12.

Интенсивный поток электромагнитной энергии формируется оптическим квантовым генератором. В зависимости от технологи;

Рис. 32.12. Условные схемы лазерной обработки (а) и газолазерной резки (б):

• 1 — оптический квантовый генератор; 2 — зеркало; 3 — затвор; 4 — линза;
• 5 — окно; 6 — обрабатываемое изделие; 7 — лунка (кратер)

ческой задачи диаметр луча в фокусе оптической системы составляет 0,001—0,2 мм и удельная мощность 10⁶—10⁹ Вт/см².

Падающий на поверхность обрабатываемого материала световой поток частично отражается, а основная часть его поглощается электронами проводимости в поверхностном слое материала, увеличивая их энергию. Электроны передают энергию кристаллической решетке, вызывая нагрев, плавление и испарение металла. Нагрев при СЛО ведется в импульсном режиме. При удельной мощности 10'—10⁸ Вт/см² тепловое воздействие луча вызывает разрушение нагреваемого материала за время одного импульса. Разрушения происходят по механизму взрывного объемного вскипания с выносом материала в виде паров и капель. Вскипанию способствуют растворенные в материале газы. В результате на участке воздействия лазерного луча формируется лунка.

В процессе облучения часть падающего светового луча отражается от обрабатываемой поверхности. Для снижения отражения при СЛО используется чернение обрабатываемой поверхности.

Практическое использование разрушения металлов объемным выкипанием и особенно испарением требует высоких энергозатрат. Заметное снижение энергозатрат достигается использованием вспомогательного газа для удаления продуктов разрушения из зоны обработки. Этот процесс получил название газолазерной резки.

При лазерной резке излучение ОКГ обеспечивает локальное плавление металла, а удаление расплава из канала реза осуществляется динамическим воздействием газа (см. рис. 32.12, б).

Эффективным способом повышения КПД процесса газолазерной резки металлов и горючих материалов (полимеров, дерева и т. п.) является использование в качестве газа струи кислорода или воздуха. Струя кислорода способствует предварительному окислению металла и уменьшению его отражательной способности; вступая в газотермическую реакцию с нагреваемым материалом, усиливает термические воздействия светового излучения и способствует удалению расплава из зоны реза.

Технологические основы процесса СЛО. Для размерной СЛО характерны следующие схемы обработки: моноимпульсная — обработка ведется одиночным импульсом ОКГ и отверстие получают за один импульс; многоимпульсная — отверстие получают при последовательном воздействии нескольких импульсов; режим импульсной обработки с перемещением светового луча относительно заготовки; режим фрезерования и газолазерной резки с перемещением светового луча относительно заготовки.

Установлены основные соотношения параметров режима с геометрическими параметрами образующихся отверстий, пазов и розов, выполняемых СЛО. При прошивке отверстий лазером с заданной длительностью импульса глубина отверстия (h) и его диаметр (d) определяются из следующих соотношений:

где W" — энергия излучения в импульсе; L_H — удельная энергия испарения вещества; гу— радиус сфокусированного пятна; ф/2 — половинный угол раствора светового конуса; п — число импульсов при многоимпульсной прошивке.

Повышение качества и точности обработки обеспечивается уменьшением количества образующейся в процессе формирования отверстия жидкой фазы за счет обработки короткими импульсами и многоимпульсной обработки при минимальной энергии в импульсе.

При газолазерной резке взаимосвязь геометрических параметров реза с параметрами режима качественно оценивается из баланса энергии при резке;

где huh — глубина и ширина реза соответственно; v — скорость резки; ?_пл — удельная энергия плавления металла; ц — эффективность процесса, равная произведению эффективного и термического КПД; Р — суммарная мощность лазерного излучения и экзотермической реакции окисления.

Так как при лазерной резке и фрезеровании пазов ширина реза близка по своему значению к диаметру лазерного луча, то из уравнения (32.3) следует, что при резке листа толщиной h скорость резания v пропорциональна мощности Р. Из того же соотношения следует, что скорость резания v обратно пропорциональна толщине листа.

Операции СЛО включают операции резки и контурной обработки листового материала, перфорации и сверления отдельных отверстий, фрезерования сквозных и глухих пазов, скрайбирования, обработки покрытий и пленочных структур.

Операции сверления прецизионных отверстий, перфорации и фрезерования пазов и скрайбирования производятся преимущественно с помощью импульсных лазеров на гранате и С02-лазеров, работающих в импульсном периодическом режиме.

Возможности лазерной технологии на указанных операциях сравнимы с возможностями электронно-лучевой технологии.

При выполнении указанных операций обрабатывают практически любые материалы; получают отверстия малых диаметров (от нескольких микрометров до 0,3 мм) с соотношением глубины к диаметру, равным 10—25; метод используется при получении отверстий, ось которых расположена под углом к обрабатываемой поверхности; метод обеспечивает получение как глухих, так и сквозных отверстий и пазов.

По своей производительности СЛО успешно конкурирует на прецизионных операциях с ЭЛО. На сегодняшний день при выполнении прецизионных операций СЛО уступает ЭЛО по точности, поэтому СЛО часто используют в качестве черновой обработки с последующим повышением точности методами механической, ультразвуковой или электрохимической обработки.

Наибольшее применение в промышленности среди операций СЛО нашли операции газолазерной контурной обработки и резки листовых материалов толщиной 0,2—10 мм. В этом диапазоне толщин лазерная резка успешно конкурирует с существующими газоэлектрическими методами, обеспечивая качество реза, достаточное для того, чтобы либо полностью, либо частично исключить последующую обработку кромки. Наиболее целесообразно ее использование для получения деталей сложного контура в условиях мелкосерийного производства из наиболее применяемых конструкционных сплавов: углеродистых и нержавеющих сталей, титана и алюминия.

Ориентировочные режимы резания С0₂-лазером (d_r = 0,2 мм) различных металлических материалов приведены в табл. 32.4.

В зоне термического влияния на поверхности реза располагается литой оплавленный металл, насыщенный газом с измененным химическим составом из-за выгорания и диффузии химических элементов. В литой зоне наблюдаются поры, трещины и внутренние напряжения. Далее следует зона металла, испытывающего воздействия высоких температур, с измененным химическим и структурным составом.

Таблица 32.4

Режимы и параметры резов конструкционных материалов и сплавов.

* Зона термического влияния.

Толщина слоя зоны термического влияния не превышает 0,2— 0,5 мм, но ее наличие необходимо учитывать при оценке эксплуатационных свойств получаемых деталей. Так, обработанная поверхность сталей и титановых сплавов в результате резки упрочняется вследствие закалки, поверхность высоколегированных сталей изменяет механические свойства (коррозионную стойкость, жаропрочность и т. п.). Поэтому вопрос о необходимости последующей обработки дефектного слоя решается в каждом конкретном случае исходя из эксплуатационных требований к деталям.

Для прецизионной резки тонколистовых конструкций, прошивки отверстий и фрезерования пазов в конструкционных материалах используют импульсно-периодическое излучение твердотельных лазеров. В этом случае получают более точные и качественные резы, однако производительность резки в этом случае намного ниже. Расширяется применение лазерной и газолазерной резки и контурной обработки неметаллических материалов. Обрабатываемые материалы и режимы обработки приведены в табл. 32.5.

При выполнении операции резки края реза остаются чистыми, а качество краев сравнимо с получаемыми при механической резке.

Таблица 32.5

Режимы лазерной и газолазерной резки неметаллических материалов.