Общие свойства методов обработки КОНЦЕНТРИРОВАННЫМИ ПОТОКАМИ ЭНЕРГИИ

При обработке концентрированными потоками энергии возможно как изменение физико-механических свойств заготовки без изменения ее формы и (или) размеров, так и изменение ее формы и (или) размеров при сохранении ее физико-химических свойств либо при определенной степени их изменения.

Для структурно-фазовых превращений при изменении агрегатного состояния заготовки либо при удалении части ее материала в качестве припуска или из зоны выемки необходимо затратить определенную энергию. Эта энергия выделяется в зоне обработки в виде теплоты, имеющей своим первоисточником либо электрические разряды в диэлектриках, либо лазерные световые пучки, либо потоки электронов, ионов или плазмы, либо электрические разряды в сочетании с другими физико-химическими процессами в электролитах. В операциях формообразования концентрированными потоками энергии теплота, выделившаяся в поверхностном слое заготовки в зоне обработки, ведет к плавлению, испарению и выбрасыванию вещества заготовки. Это создает углубления в зоне подвода потока энергии.

Когда материал заготовки удаляется воздействием теплоты, то энергоемкость такого процесса определятся теплотой, необходимой для нагрева удаляемой массы твердого вещества до температуры его плавления, скрытой теплотой плавления, теплотой, необходимой для нагрева определенной части жидкой массы расплавленного вещества до температуры кипения, скрытой теплотой парообразования, теплотой, затрачиваемой на перегрев части жидкой удаляемой массы выше температуры ее кипения, что требуется для обеспечения нужной кинетики ее удаления, а также теплоты, отводящейся в тело заготовки и в прилегающую среду. Для сравнения, полезная энергия, затрачиваемая на процесс традиционного резания, сопровождаемый дроблением снятого припуска на твердые частицы, в принципе сводится к энергетическим затратам, необходимым для образования новых поверхностей. Эти затраты идут на разрыв соответствующих атомных связей и должны быть меньше, чем при обработке концентрированными потоками энергии. Однако, в реальности, кроме этого необходимого минимума, при резании затрачивается дополнительная энергия, идущая на нагрев заготовки, деформацию стружки, ускорение частиц стружки до высоких скоростей, износ и деформацию инструмента и др. Поэтому, в ряде случаев энергоемкость обработки концентрированными потоками энергии оказывается сопоставимой и даже меньшей, чем при традиционной обработке резанием. Это будет рассмотрено далее применительно к конкретным операциям.

Показатели, оценивающие качество любой технологической операции обработки, принято разделять на две группы — на конечные показатели и показатели интегральные.

Конечные показатели определяют степень соответствия параметров обработанной детали заданным требованиям. Такими показателями являются, например, фактические размеры полученной детали или же величины шероховатости обработанной поверхности.

Интегральные показатели характеризуют не конечные значения параметров детали, а ход технологического процесса их достижения. К таким показателям относятся, например, энергоемкость процесса или же длительность выполнения тех или иных технологических операций.

Интегральные показатели учитываются при оптимальном управлении на протяжении всего технологического процесса, тогда кйк конечные показатели должны приниматься во внимание, главным образом, на его завершающих стадиях.

При формообразовании воздействием концентрированных потоков энергии необходимо расширить понятие инструмента. Им следует называть всякую замкнутую область, в которой создаются и поддерживаются заданные параметры физико-химических явлений, определяющие скорости перемещения изменяемых поверхностей зоны обработки заготовки в процессе их изменения. Эти перемещения могут быть одномерными, двумерными и объемными.

Для обработки концентрированными потоками энергии характерно бесконтактное формообразование. Контакт инструмента с заготовкой, необходимый для некоторых режимов электроэрозионной обработки и электроимпульсного легирования, служит лишь для инициации тех энергетических импульсов, которые осуществляют рабочее воздействие на заготовку.

Бесконтактный характер формообразования при обработке концентрированными потоками энергии привносит в протекание технологических операций определенные особенности. Так, здесь взаимосвязи между конфигурацией инструмента, в той степени, в какой о ней можно говорить, и конфигурацией получаемого изделия носят специфический характер, и эти конфигурации далеко не всегда совпадают. Конфигурация инструмента, понимаемая в том смысле, как было определено выше, может изменяться уже во время хода процесса формообразования детали. Особое значение принимает проблема управления выносом из рабочей зоны продуктов удаления припуска, также как и проблема отвода избыточной энергии.

Требования улучшения показателей энергоемкости, обеспечения нужных показателей производительности, качества и точности обработки, конструктивные особенности и эксплуатационные требования соответствующего технологического оборудования, специфическое состояние продуктов обработки, в которых удаленный материал исходной заготовки является иногда лишь одним из компонентов, обуславливают необходимость углубленного и целенаправленного изучения физико-химического механизма происходящих при этом явлений.

Основным направлением в изучении такого рода механизмов является построение их описаний, называемых познавательными моделями воздействия на заготовку концентрированных потоков энергии. Подобные модели строятся на основании сведений и закономерностей, почерпнутых из фундаментальных наук, таких как физика, химия, математика и др. и имеют целью осуществить количественное и качественное описание закономерностей, присущих описываемым процессам, и установить характер взаимосвязей между параметрами, определяющими ход этого процесса.

Эти параметры в общем случае могут быть расклассифицированы на следующие группы:

• — параметры, отображающие свойства, присущие компонентам, участвующим в технологическом процессе, например, плотность, электропропроводность, концентрацию тех или иных составляющих, температуру плавления, теплоемкость и т. п.;
• — параметры, отображающие состояние компонентов, участвующих в технологическом процессе, например, температура, давление, агрегатное состояние и др.;
• — параметры, отображающие динамические показатели и интенсивность протекания процесса, такие как рабочие напряжения и ток, энергия, мощность, плотность мощности и доза воздействия, показатели гидродинамических и газодинамических величин и т. п.

Режимы процесса обработки, характеризуемые изменениями во времени определяющих его параметров, сводятся к следующим разновидностям:

• — установившийся, при котором определяющий параметр (параметры) не изменяется (ются) в течение всего времени технологического процесса;
• — установившийся периодический без несущей с непрерывным изменением определяющего параметра и либо без изменения, либо с изменением знака этого определяющего параметра;
• — установившийся периодический без несущей с импульсным определяющим параметром и либо без изменения, либо с изменением знака этого определяющего параметра;
• — установившийся периодический с несущей и либо с непрерывной, либо с импульсной модуляцией определяющего параметра;
• — неустановившийся без несущей с непрерывным изменением определяющего параметра и либо без изменения, либо с изменением знака этого определяющего параметра;
• — неустановившийся с несущей и либо с непрерывной, либо с импульсной модуляцией определяющего параметра.

Величины, которые используются для построения подобных моделей, могут быть также и технологическими, то есть характеризовать показатели получаемой детали и (или) процесс ее изготовления. Когда строится познавательная модель, то есть иными словами составляется познавательное описание процесса, то преследуется цель расчленения сложного механизма явлений на простые, закономерности которых известны, в результате чего определяются количественные соотношения, и формируются математические модели описываемых явлений той или иной степени полноты и адекватности.

Формируемые математические модели могут быть при этом стационарными или динамическими, детерминированными или вероятностными, одномерными или многомерными, с сосредоточенными или с распределенными параметрами, с постоянными или с переменными величинами, аналитические или численные.

В идеализированной полной модели процесса обработки должна иметься возможность определения конечных показателей детали, таких как точность размеров и формы геометрической конфигурации, шероховатость, глубина измененного слоя, толщина и структура нанесенного покрытия, глубина проплавления, размеры и прочность сварного шва и др. в зависимости от всех параметров процесса, способных влиять на эти показатели.

Полная модель процесса в общем случае должна быть динамической, нелинейной, многомерной, включать в себя динамическую и вероятностную компоненты, учитывать как сосредоточенные, так и распределенные величины. Как правило, для интерпретации и практического применения полных моделей используются численные методы, реализуемые с помощью соответствующих прикладных компьютерных программ.

При этом могут решаться две задачи: прямая, когда по заданным условиям процесса определяются его конечные и интегральные показатели, и обратная, когда по заданным значениям конечных и интегральных показателей детали и процесса определяются требуемые значения параметров процесса.

В инженерной практике часто приходится решать более конкретную задачу — добиваться требуемых значений показателей процесса и детали на данном конкретном оборудовании, предназначенном для выполнения вполне определенного круга работ. Для таких целей большое значение имеет установление качественных зависимостей технологических показателей от параметров режима обработки, а также установление количественных зависимостей, при которых не является обязательным вскрытие внутренней сущности происходящих при этом явлений.

Такие модели или описания процессов называются технологическими. Они, как правило, строятся для каждого конкретного случая или представительного примера экспериментально с использованием справочных данных. В этой связи необходимо упомянуть о широком использовании в практике инженерного анализа и проектирования технологических процессов математических методов планирования многофакторного статистического эксперимента. Эти методы предусматривают варьирование факторов, влияние которых изучается, по двум или нескольким дискретным уровням и построение соответствующей функции отклика.

Известны и используются и другие виды модельных описаний технологических процессов — модели прогнозирования, управления, информационные и некоторые другие, на которых здесь нет необходимости останавливаться.

Таким образом, в общем случае задача проектирования технологического процесса обработки детали концентрированным потоком энергии, независимо от физической природы этого потока, сводится к следующей процедуре.

Подготавливается исходная информация, включающая в себя:

• — чертеж получаемой детали с техническими условиями;
• — чертеж заготовки или полуфабриката детали после операции, предшествующей проектируемой;
• — программу выпуска деталей с указанием необходимости их ремонта и восстановления при эксплуатации, если таковая необходимость имеется;
• — технико-экономические показатели процесса, по которому ранее велась обработка подобных деталей, если таковой процесс существовал;
• — сведения об оборудовании и инструменте, имеющемся на предприятии;
• — данные о материале заготовки — его марка, плотность, сведения о его структуре, твердости, включениях, электрои теплопроводности и др.

Последовательность разработки технологического процесса обработки концентрированным потоком энергии в общем случае сводится к следующему.

• — оценивается технологичность детали, и вносятся соответствующие изменения в ее конструкцию, учитывающие возможности обработки концентрированными потоками энергии;
• — оцениваются технологические показатели обработки концентрированными потоками энергии по сравнению с показателями традиционных методов механической обработки;
• — выбирается и обосновывается целесообразность применения для данной детали того или иного вида обработки концентрированными потоками энергии; если деталь невозможно изготовить другими способами, то такого обоснования не требуется;
• — сравниваются расчетные значения конечных показателей с требованиями чертежа детали, и определяется необходимость финишных операций;
• — определяются припуски на операции, и уточняются чертежи детали и заготовки;
• — разрабатывается маршрутная технология обработки концентрированными потоками энергии, и определяется ее место в общем технологическом процессе;
• — разрабатываются операционные режимы обработки концентрированными потоками энергии;
• — разрабатываются задания на проектирование специального оборудования, инструмента и оснастки;
• — разрабатываются методы и средства контроля операций, выполненных концентрированными потоками энергии.