15.13.Электрофизические способы обработки
15.13.1.Ультразвуковая обработка
Ультразвук применяется для размерной обработки твердых материалов, обработки мелких деталей свободным абразивом, очистки кругов при шлифовании.
Существуют две разновидности ультразвуковой обработки: свободно направленным абразивом и абразивом, зерна которого получают энергию от специального инструмента.
1 способ – свободным абразивом – небольшую деталь помещают в суспензию, состоящая из абразива, взвешенного в жидкости. В суспензии возбуждается ультразвуковые колебания и под действием кавитации и гидродинамических потоков происходит декоративные изменения и смятие заусенцев.
Инструмент совершает продольные колебания частотой f =16-30 и небольшой амплитудой А=0,02-0,06 мм. Инструмент прижимается к заготовке со статической силой Рст=2-15,в рабочую зону пространство между колеблющимся торцом инструмента 1 и заготовкой 3 подается взвешенный в воде абразив 2 – карбид бора.
Размер выкалываемых частиц материала невелик, но количество ударов велики, что обеспечивает достаточную производительность. Ультразвуковой станок состоит из 2-х узлов: лампового генератора и механической части электрических колебаний, генератор преобразовывается в механические колебания в акустической головке – использующих эффект продольной магнитострикции. Ультразвуковая обработка состоит из двух основных процессов:
ударного внедрения абразивных зерен – вызывает выкалывание небольших частиц материала;
процесса циркуляции и смены абразива в рабочей зоне.
Область применения ультразвуковой обработки: изготавливают детали сложной формы из стекла, флюорита, кварца, обработка детали из феррита, фарфора, специальной керамики, обработка полупроводниковых материалов – германия и кремния, обработка из технического алмаза, изготавливают твердосплавных матриц сложной формы.
15.14.Лазерная и электронно-лучевая обработка
В основе лежит способность электронного пучка с большим коэффициентом полезного действия превращать свою кинетическую энергию в тепловую.
При нагревании металла электроны могут получить скорости в направление перпендикулярно к поверхности тела. Высокие скорости могут сообщить электроны в достаточном вакууме, при использовании высоких ускоряющих напряжений и фокусировка электронного луча.
Регулируется величина кинетической энергии электронов, энергия фокусируется на весьма малых площадях, и плотность энергии достигает высокого значения, и материал под действием электронного пучка плавится и испаряется.
Электронная установка состоит из электронной пушки, где формируется мощный электрический луч, вакуумной камеры, в которой обрабатывается деталь, вакуумной насосной системы (10 -5 см. рт. ст.), контрольных систем управлений электрон, высоковольтного источника энергии. Температура в рабочей зоне 6000 градусов. Длительность импульсов подбирается так, чтобы за время одного импульса успел нагреться и испарится участок металла под лучом, а тепло не успело распространиться на всю деталь. Точно регулируется энергия нагрева и управление скоростью съема металла в зависимости от нужной чистоты обработанной поверхности.
Электронно-лучевая обработка успешно применяется для вырезки микродиодов, изготовление тонких пленок и сеток из медной фольги. Нержавеющая сталь толщиной 0,84 мм обрабатывается, со скоростью 10 мм/сек при ширине резания 0,6 мм.
При лазерной обработке используются квантовые генераторы для сверления, разрезки, сварки и др. видов микрообработки материалов.
Она основана на использование внутренней энергии атомов и молекул некоторых веществ. Лазеры работают в импульсивном режиме. Энергия светового импульса невелики 10-50 Дж., она сосредоточена в луче d=0,01 мм и выделяется в миллионные доли секунды. При такой концентрации энергии и мгновенном выделении, ее обрабатываемый материал нагревается до многих тысяч градусов и испаряется (рис. 15.9)
Рис. 15.132. Схема устройства лазера (1 – импульсная лампа вспышки; 2 – выходной пучок света; 3 – держатель стержня; 4 – рубиновый стержень; 5 – отражательная камера; 6 – пусковая кнопка; 7 - пусковой импульс )
Квантовые генераторы света открыты советскими физиками Басовым и Прохоровым, а так же Таусоном – США. Наиболее распространенные лазеры с рубиновым стержнем.
В квантовых генераторах используются принцип молекулярного генерированного излучения. Атомы находятся на определенных энергетических уровнях, переход на другой уровень или поглощение определенного количества энергии кванта.
Переход высокого энергетического уровня на низкий может быть самопроизвольным – лампы накаливания, может быть когерентным излучением – такой переход атомов необходимо стимулировать внешней силой и создавать условия для одновременного излучение атомов.
Оптический квантовый генератор состоит из:
1) активного вещества, являющегося источником индуцированного излучения.
2) источника возбуждения, которое снабжает энергией активное вещество (каноновая импульсная лампа с температурой излучения 4000 градусов).
3) резонансной системы. Рубиновый стержень, торцы которого отполированы и являются зеркалами, один торец покрыт плотным непрозрачным слоем серебра, другой – посеребренный, имеет который пропуск 8%.
Работа: при разряде
конденсатора через лампу подкачки –
появляется вспышка света длительностью
0,001 секунды, свет с помощью отражателя
фокусируется стержень из рубина (
,
),
в результате атомы кремния переходят
в возбужденное состояние. Когда более
50% атомов перейдет в возбужденное
состояние, равновесие становится
неустойчивым и вся запаянная в кристалле
энергия освобождается и кристалл
испускает ослепительно-яркий красный
свет. Лучи света очень исправлены,
расходимость менее 0,1°.
Область применения:
в системах космической связи,
радиолокации,
сварки,
пайки,
обработки твердых материалов.
Преимущества светового луча по сравнению с электронным лучом:
не требуются вакуумных камер, обработка идет в воздушной среде;
не нужна защита обслуживаемого персонала от рентгеновского излучения, необходимы только защитные очки;
меньшие габариты оборудования.
Недостатки:
сравнительно небольшая излучаемая мощность;
низкий коэффициент полезного действия за счет тепловых потерь;
перегрев кристалла и трудности его охлаждения;
низкая точность обработки.