Физические основы ультразвуковой обработки

Техническая физика: электрофизические и электрохимические методы обработки материалов

Учебное пособие

Северодвинск

2010г

УДК621.7 (075.8)

Обловацкая Н.С. Техническая физика: электрофизические и электрохимические методы обработки материалов: Учебное пособие для студентов специальности 150202. – Северодвинск: Севмашвтуз, 2010 – 44с.

Ответственный редактор: к.т.н., доцент Пестов Н.А.

Рецензенты: старший преподаватель Кузнецова Ю.Ю., ведущий инженер ООО Градстрой Белоус М.М.

Учебное пособие содержит основные сведения о технологических процессах немеханической обработки материалов, применяемых при изготовлении и ремонте деталей на современных машиностроительных предприятиях, описаны технология и оборудование, а также физические и химические явления, являющиеся основой процессов. В пособии рассмотрены основные виды и технология ультразвуковой, электронно- и светолучевой обработки, плазменной обработки.

Учебное пособие "Техническая физика: электрофизичекие и электрохимические методы обработки материалов" предназначено для студентов специальности 151001 "Технология машиностроения ".

Печатается по решению редакционно-издательского совета Севмашвтуза.

Лицензия на издательскую деятельность

Код 221. Серия ИД. № 01734 от 11 мая 2000 г.

Оглавление

Введение. 4

Ультразвуковая обработка. 9

Физические основы ультразвуковой обработки. 9

Влияние УЗ колебаний на процесс обработки. 10

Факторы, влияющие на технологические показатели ультразвуковой обработки. 11

Качество поверхности. 11

Производительность ультразвуковой размерной обработки. 12

Электронно-лучевая обработка. 12

Технологические процессы ЭЛО. 15

Локальный переплав. 16

Электроннолучевая плавка. 16

Электронно-лучевая сварка. 17

Микросварка. 18

Электронно-лучевое испарение. 19

Размерная обработка. 19

Термообработка. 21

Оборудование для ЭЛО.. 21

Светолучевая обработка. 21

Применение лазеров. 22

Физические основы СЛО. 23

Основные элементы ОКГ. 27

О лазерах. 27

Виды лазеров. 29

Твердотельные лазеры.. 30

Жидкостный лазер. 30

Газовые лазеры (лазер СО₂) 31

Полупроводниковые лазеры.. 31

Взаимодействие ОКГ с веществом. 32

Технологические особенности излучения ОКГ. 33

Лазерная резка. 35

Техника безопасности при работе с ОКГ. 38

Плазменная обработка. 39

Образование изотермической плазмы. 39

Способ стабилизации дуги. 42

Сварка и наплавка. 43

Плазменная наплавка. 44

Напыление. 44

Литература. 45

Введение

Десятки тысяч технологов ежедневно решают задачи по выбору наиболее выгодных способов получения заданной чертежом детали с требуемыми точностью, шероховатостью и физико-механическими свойствами. Задача непрерывно усложняется в связи с появлением новых материалов - жаропрочных, коррозионно-стойких, магнитных, высоколегированных сталей, твердых сплавов и сверхпрочных материалов, таких как кремний, германий, ферриты, рубины, алмазы. Обработка таких материалов механическими методами чрезвычайно затруднена, а порой и невозможна. Острая необходимость в сверхточных микрообрабатывающих инструментах в радиоэлектронике, где в объемах наперстка создаются целые радиосхемы, при получении искусcтвенных волокон много раз тоньше человеческого волоса, т.к. для их производства требуются фильеры миниатюрных размеров сложной формы – треугольной, крестообразной.

Обрабатывать отверстия диаметром в сотые и тысячные доли миллиметра приходится в очень твердых корундовых камнях для часов и точных приборов.

Мельчайшие электрически заряженные частицы – электроны и ионы - также могут служить рабочим инструментом. Двигаясь в электрическом поле, они способны соединять, деформировать, расплавлять почти любые материалы. Электронно-ионная технология имеет несколько присущих только ей достоинств:

1. Универсальность. Ее можно применять для обогащения редких руд, для обработки различных конструкционных материалов, для сварки, упрочнения или очистки металла.

2. Непрерывность процесса и возможность его точного регулирования, а, следовательно, и полной автоматизации.

3. Энергия активных частиц непосредственно воздействует на материал, без предварительного превращения электрической энергии в механическую или тепловую, т.е.отпадает необходимость в специальных преобразующих устройствах.

Развитие промышленности, особенно в последней четверти 20 века и в наше время характеризуется резким ужесточением требований к основным параметрам техники. Если на решение технической проблемы раньше тратились десятилетия, то теперь на это есть лишь несколько лет. Это вызывает появление новых конструкций в технике, транспорте, оборудовании и т.д. В свою очередь, новая техника требует использования принципиально новых материалов, сплавов, конструктивных решений. А это определяет развитие новых методов обработки заготовок и изготовления деталей. В первую очередь это относится к ЭФ и ЭХ методам, когда на смену режущему инструменту и металлорежущему оборудованию приходит электрическая искра, электрическое поле, электромагнитные колебания и пр., а также специальное оборудование.

Во многих случаях обработка происходит при действии электрического тока. Управление процессом осуществляется также с применением тока. поэтому не нужны преобразователи управляющих сигналов в механическую энергию, используемую при обработке резанием. В то же время, отсутствие механического воздействия инструмента на заготовку не вызывает упругого деформирования заготовки и, следовательно, не влияет на точность обработки.

Увеличение интенсивности удаления материала при обработке не имеет обратной зависимости от стойкости инструмента как при резании. Такое увеличение практически не сказывается на стабильности работы оборудования. К тому же, рассматриваемые методы обработки способны обеспечить весьма малую шероховатость поверхности. Тепловыделение при использовании ЭФ и ЭХ методов оказывается малым и не приводит к фазовым превращениям в поверхностных слоях заготовки. При этом отсутствуют тепловые деформации всей детали, что способствует существенному повышению ее точности.

Данные методы могут оказаться единственно возможными при обработке твердых и сверхтвердых материалов. Существенным достоинством является возможность обработки фасонных поверхностей без использования сложных кинематических зависимостей, что было бы необходимо при применении методов резания.

Однако рассматриваемые методы весьма энергоемки. Для удаления определенного объема материала в случае их использования затраты электроэнергии оказываются в десятки или сотни раз больше, чем при удалении того же объема традиционными методами.

Во второй половине XX в. для решения наиболее сложных технологических задач создания новой техники стали во все большей степени использовать и развивать новые методы обработки материалов, основанные на немеханическом воздействии инструмента на заготовку. В большинстве случаев для реализации этих методов используются пространственно локализованные электромагнитные поля с высокой плотностью потока мощности. В отечественной литературе эти методы обработки объединяют под названием электрофизические и электрохимические методы обработки (ЭФ и ЭХМО) (используют также синоним физико-химические методы обработки), а воздействие на материал фокусированными пучками заряженных частиц или фотонов часто называют обработкой концентрированными потоками энергии (КПЗ).

Наибольшее применение ЭФ- и ЭХМО получили в технологиях размерной обработки (формообразования). Вопросы теории и технологии ЭФ- и ЭХМО развивались, преимущественно, применительно к наукоемким отраслям машиностроения, таким как авиационное двигателестроение, ракетостроение, предприятия оборонного комплекса.

В машиностроении часто возникают технологические проблемы, связанные с обработкой и деталей, форму и состояние поверхностного слоя которых трудно получить механическими методами. К таким проблемам относится обработка весьма прочных, очень вязких, хрупких материалов, тонкостенных нежестких деталей, пазов и отверстий, имеющих размеры в несколько мкм, поверхностей деталей с малой шероховатостью или малой толщиной поверхностного слоя.

Кроме проблем, связанных с трудностями геометрии формообразования и кинематики формообразования, существует задача получения при обработке поверхностного слоя с определенным комплексом свойств.

Поверхностный слой металла включает в себя наружную поверхность, имеющую непосредственный контакт с внешней средой, и нижележащий слой деформированного металла, отличающегося от основной части (сердцевины) металла своим строением, механическими, физическими и химическими свойствами.

При идеально правильной структуре каждый атом, расположенный внутри металла, во всех направлениях подвергается воздействию силовых полей окружающих его атомов и находится поэтому в состоянии подвижного устойчивого равновесия. Атомы, расположенные на поверхности, имеют связи с только с соседними и нижележащими атомами и находятся поэтому в неустойчивом, неуравновешенном состоянии. В результате этого, поверхностный слой, включающий в себя примерно два ряда атомов (т.е. толщиной порядка 10^-6 – 10^-7мм), обладает запасом свободной поверхностной энергии. Поверхностную энергию можно представить в виде суммы потенциальной и кинетической энергии. Потенциальной части энергии соответствует искажение нормального построения решетки (составляет от долей процента до нескольких процентов от нормального интервала между атомами). кинетической энергии соответствует изменение режима колебания атомов в граничном слое. Вследствие повышенной активности поверхность адсорбирует элементы окружающей среды и, как правило, бывает покрыта слоями адсорбированных газов, паров воды и жиров, часто осаждающихся прямо из воздуха.

Адсорбированные слои смазки, особенно поверхностно активной, оказывают значительное влияние на величину поверхностной энергии, на процесс пластической деформации и прочность металла. Адсорбция снижает поверхностное натяжение и энергию поверхностных атомов и облегчает развитие деформации. поверхность и в особенности трещины и выходящие наружу межзерновые граничные прослойки являются как бы воротами, через которые чужеродные атомы проникают в твердое тело. Воздействие окружающей среды приводит к возникновению на поверхности различных химических соединений, обычно окислов.

Ниже граничного слоя, покрытого пленкой жиров, водяных паров, адсорбированных пленок и окислов, обычно располагается слой сильно деформированного и упрочненного металла. При обработке заготовок резанием под действием прилагаемых сил в металле поверхностного слоя происходит пластическая деформация, сопровождающаяся его деформационным упрочнением. Интенсивность и глубина распространения наклепа возрастают с увеличением сил и продолжительности их воздействия и с повышением степени пластической деформации металла поверхностного слоя. Одновременно с упрочнением под влиянием нагрева зоны резания в металле поверхностного слоя протекает отдых (разупрочнение, возврат), возвращающий металл в его первоначальное состояние. Конечное состояние металла поверхностного слоя определяется соотношением скоростей протекания процессов упрочнения и разупрочнения, зависящим от преобладания действий в зоне резания силового или теплового фактора.

К ЭФ и ЭХ методам обработки материалов относят методы изменения формы, размеров, шероховатости и свойств обрабатываемых поверхностей заготовок, происходящие под воздействием электрического тока и его разрядов, электромагнитного поля, электронного или оптического излучения, плазменной струи, а также высокоэнергетических импульсов и магнитострикционного эффекта.

Отличительной особенностью этих методов является использование электрической энергии непосредственно для технологических целей без промежуточного преобразования ее в другие виды энергии. При этом использование электрической энергии осуществляется непосредственно в рабочей зоне через химическое, тепловое и механическое воздействие.

Возможны также и различные сочетания в одном процессе нескольких из указанных способов воздействия между собой или с традиционными методами обработки резанием или давлением. В последние годы в мировом технологическом сообществе все больший интерес вызывают комбинированные методы обработки. Развитие и применение технологий на основе комбинированных методов рассматривают, как перспективное направление современной технологии машиностроения.

Большинство процессов и операций ЭФ и ЭХ обработки сопровождается удалением с обрабатываемых поверхностей заготовок припуска. Такие процессы относят к размерной обработке. Некоторые процессы ЭФ и ЭХ обработки - без снятия припуска – их относят к безразмерной (отделочной) обработке.

ЭХ и ЭФ методы обработки в отдельных случаях имеют преимущества перед механической обработкой:

1. Силовые нагрузки либо отсутствуют, либо настолько малы, что практически не влияют на суммарную погрешность точности обработки.

2. Большие технологические возможности изменения формы, размеров, шероховатости и свойств обрабатываемых поверхностей заготовок, охватывающих практически все операции машиностроения.

3. Методы позволяют не только изменять форму поверхностного слоя, но и влиять на его состояние. Дефектный слой незначителен, удаляются прижоги, другие дефекты. При этом повышается износо- и коррозионостойкость, прочность и многие эксплуатационные характеристики.

4. Кинематика формообразования, как правило, проста, что обеспечивает точное регулирование процессов и их автоматизацию.

5. На обрабатываемость заготовок практически не влияет твердость и вязкость материала (за исключением ультразвуковой обработки).

6. Низкая себестоимость, относительная простота и высокая стойкость применяемого инструмента, а иногда и отсутствие его износа. В некоторых методах инструмент как таковой вообще отсутствует, а его функцию выполняет сформированный соответствующим образом поток ионов, электронов и т.д.

7. Большие возможности интенсификации многих технологических процессов механической обработки резанием, давлением, нанесения покрытий, сварки, пайки и других, выполняемых традиционными методами с большой трудоемкостью и низким качеством обработки.

Наряду с перечисленными положительными особенностями есть и недостатки ЭФ и ЭХ методов, обусловленные их физической сущностью и спецификой. некоторые из этих недостатков имеют временный характер и могут быть устранены дальнейшим усовершенствованием. К основным недостаткам можно отнести следующие:

1. повышенная энергоемкость процессов при равнозначных с механической обработкой производительности и качественных показателях;

2. относительная громоздкость применяемого технологического оборудования и оснастки, а также необходимость применения специальных источников питания, устройств для подачи, сбора, хранения и очистки рабочей жидкости;

3. необходимость размещения технологического оборудования в отдельных помещениях, связанная с учетом повышенной пожарной опасности и выполнением специфических требований по охране труда.

Некоторые методы ЭФ и ЭХ обработки еще недостаточно изучены и требуют дальнейшего исследования.

Технологические процессы немеханической обработки материалов:

1. Электрофизическая обработка (ЭФО).

ü электроэрозионная

ü ультразвуковая

ü лазерная

ü электроннолучевая

ü виброобработка

2. Электрохимическая обработка (ЭХО).

Ультразвуковая обработка

Ультразвуковые волны – это упругие волны, распространяющиеся в газах, жидкостях, твердых телах. Диапазон частот ультразвука от 16000 до 10⁸Гц. В средах, где распространяются ультразвуковые колебания, возникают специфические эффекты, которые используются для интенсификации различных процессов.

В конце 50х годов ХХ века было обнаружено, что если торец ультразвукового излучателя приблизить к поверхности сосуда, в котором находится абразивная суспензия, то в месте контакта излучателя с сосудом поверхность разрушается, причем форма получаемого углубления повторяет форму торца излучателя.

Ультразвуковая обработка осуществляется по следующим основным схемам:

Физические основы ультразвуковой обработки

Если в материальной среде возбудить звуковые колебания, то они создают в примыкающих к источнику звука частицах периодически чередующиеся сжимающие и растягивающие напряжения. Прилегающие частицы среды также начинают совершать колебания и передают их другим частицам, отдаленным от источника звука. Так происходит распространение колебаний в пространстве, и образуется звуковая или акустическая волна. При распространении волны не происходит переноса вещества, а происходит перенос энергии упругой деформации.

Расстояние, на которое распространяется волна за время, равное периоду колебаний частиц среды, называется длиной волны:

с – скорость звука,

Е – модуль Юнга (упругость среды),

ρ – плотность среды,

Т – период колебаний,

f – частота колебаний.

Некоторые процессы ультразвуковой механической обработки осуществляются с использованием жидких сред (размерная обработка). ультразвуковое поле в жидкости обладает рядом специфических свойств, главные из которых – явление кавитации и акустические течения. Кавитация - образование разрывов жидкости в местах, где происходит местное понижение давления (на практике разрыв происходит при растягивающих напряжениях 10⁴ – 10⁷Па). Минимальное значение напряжения (называется акустическим давлением), необходимое для начала кавитации, называется порогом кавитации.

Акустические течения возникают при распространении ультразвуковых волн в поглощающей среде, а также вблизи препятствий и колеблющихся тел, помещенных в ультразвуковое поле.