Магнитоимпульсное формообразование. Плазменная, лазерная и электронно-лучевая обработка материалов (стр. 1 из 2)
БЕЛОРУССКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ ИНФОРМАТИКИ И РАДИОЭЛЕКТРОНИКИ
Кафедра ЭТТ
РЕФЕРАТ
На тему:
"Магнитоимпульсное формообразование. Плазменная, лазерная и электронно-лучевая обработка материалов"
МИНСК, 2008
Магнитоимпульсное формообразование
Магнитоимпульсная обработка металлов (МИО) – это способ пластической деформации металлов и их сплавов, осуществляемый при прямом преобразовании электрической энергии в механическую непосредственно в самом обрабатываемом изделии. Деформация токопроводящих материалов происходит в результате взаимодействия импульсного магнитного поля, создаваемого внешним источником, с током, индуктируемым этим полем в обрабатываемой детали.
Для возбуждения импульсного магнитного поля используется токопроводящий элемент, который называется индуктором и может иметь разнообразную форму.
Рис.1. Магнитоимпульсная формообразование.
Проходящий по витку ток создает вокруг него магнитное поле. Если в это магнитное поле ввести проводящий контур (2), то в нем возникнут вихревые токи, величина которых пропорциональна скорости изменения магнитного потока. Взаимодействие вихревого тока в контуре с внешним магнитным полем витка приводит к появлению механических давлений за счет пондермоторных сил.
Для создания местной деформации между витком (1) и заготовкой (2) вводится металлический концентратор (3).
Давление, которое оказывает электромагнитное поле на заготовку, определяется соотношением:
,(1)где В – магнитная индукция поля в воздушном зазоре; μ – абсолютная магнитная проницаемость среды.
Давление на заготовку достигает значений 4∙109 Н/м2 (при В=1 МГс).
Формирование изделий электромагнитным полем осуществляется на установках, имеющих принципиальную схему
Рис.2. Принципиальная схема установки: 1 – высоковольтный трансформатор; 2 – выпрямитель; 3 – зарядное сопротивление; 4 – конденсатор; 5 – разрядник; 6 – индуктор.
Одним из основных узлов установки является индуктор, от надежности которого зависит эффективность процесса. Так как при деформациях индуктор испытывает силовое воздействие, то его изготавливают из материала, с высоким пределом текучести и высокой температурой плавления, например меди, бериллиевой бронзы, стали, вольфрама. Динамическая прочность индуктора может быть повышена за счет увеличения массивности и улучшения межвитковой изоляции.
Режимы электромагнитной обработки выбирают исходя из коэффициента формуемости различных материалов, который определяется по формуле:
,(2)где ρ – удельное электрическое сопротивление металла; μ – плотность металла.
К примеру для меди k=500000 Гс/м, для нержавеющих сталей k=3∙107 ГС/м.
При обработке деталей изготовленных из металлов с большим сопротивлением, на них накладывают медную фольгу или наносят гальваническим способом медь.
Достоинства электромагнитной импульсной формовки:
1. Большие скорости обработки, позволяющие формовать детали из маловязких и твердых металлов, которые не поддаются пластической деформации при обычных скоростях;
2. Отсутствие механического соприкосновения между деталью и индуктором, что дает возможность штамповать металлы с нанесенными защитными покрытиями;
3. Относительная несложность;
4. Технологическая гибкость;
5. Лучшие условия труда по сравнению с условиями труда при других методах обработки деталей давлением и т.д.
Недостатки:
1. Сравнительно низкий КПД из-за потерь на нагрев и рассеяние;
2. Сложность обработки деталей с отверстиями или пазами, мешающими прохождению тока;
3. Невысокая долговечность индукторов при работе в электрических полях высокой напряженности;
4. Сложность обработки заготовок больших толщин.
Метод магнитоимпульсной обработки используется для операций развальцовки тонкостенных металлических заготовок любых форм; опрессовки хрупких материалов; чеканки; соединения металлических деталей с неметаллическими; штамповки из металлического листа и т.д.
Электрогидравлическая обработка
Электрогидравлическая обработка материалов – это формообразование фасонных изделий из тонколистового материала с использованием направленных ударных волн высокой интенсивности, возникающих в жидкости при импульсном электрическом разряде.
Обработка заготовок происходит за счет возникновения высокого давления в зоне обработки в результате высоковольтного электрического разряда между погруженными в непроводящую жидкость электродами. За счет энергии импульсной ударной волны, распространяющейся вокруг канала разряда в рабочей среде, возникает давление до 300 Мн/м2. Основными факторами формообразования методом электрогидравлического разряда являются:
– сверхвысокие ударные гидравлические давления;
– мощные кавитационные процессы;
– ультразвуковое излучение.
Электрогидравлическая обработка осуществляется по следующей схеме:
Рис.3. Принципиальная схема для электрогидравлической обработки, где РП – разрядный промежуток.
Для возбуждения разряда требуемой траектории используется различное расположение электродов, а также различные формы проволочек, закорачивающих межэлектродный промежуток.
Рис.4. Схема электрогидравлической штамповки детали.
Плазменная обработка
В технологии приборостроения, радиоаппаратостроения и металлообработки плазма применяется в виде узконаправленной горячей струи, способной расплавить и испарить практически все материалы: как материалы так и не материалы.
По конструкции плазматроны разделяются на сепараторы прямого и косвенного действия.
Рис.5. Устройство плазматрона: 1 – сопло; 2 – вольфрамовый электрод; 3 – ввод плазменного газа; 4 – изделие; 5 – канал для подачи присадочного порошка.
Для получения плазмы используются электролитический дуговой разряд, через который с помощью сопла продувается плазмообразующий газ (аргон, азот, воздух или их смесь). Питание плазматрона осуществляется от мощного электрического источника с напряжением 200–500 В и током 300–400 А. Необходима стабилизация дуги, чтобы горячая струя не замкнулась на сопло и не расплавила его, а также с целью некоторой фокусировки. Она осуществляется аксиальным потоком газа, либо суженными стенками охлаждаемого сопла.
Плазменная обработка используется в процессах, требующих высокотемпературного концентрированного нагрева: резка, прошивка отверстий, микро - и макросварка, нанесение покрытий, восстановление изношенных деталей, плавка.
Наплавка износостойких покрытий осуществляется с целью повышения эксплуатационных свойств детали.
Применяют порошкообразные материалы со специальными свойствами – высокой твердостью, повышенной износостойкостью, коррозионно - и термостойкостью (оксиды или карбиды бора, вольфрама). Детали получаются с дешевой сердцевиной из конструктивных материалов, а на ответственных участках создаются необходимые свойства. Значительно снижаются расходы дорогостоящих легирующих материалов. Толщина слоев может достигать нескольких мм. Технология: наносимый материал используется в виде пасты; происходит расплавление и сварка слоя наплавляемого материла с основным материалом. В этом случае применяются плазменные горелки косвенного действия.
Напыление. Напыляемый материл нагревается в плазматроне. Температура подложки в зависимости от цели напыления может быть различной. Формируются слои небольшой толщины – от нескольких мкм до одного мм. Для увеличения адгезии напыленного слоя стремятся повысить степень химического воздействия покрытия с подложкой за счет ее разогрева или введения промежуточных химически активных слоев.
Плазменная резка. Достоинства: обрабатываются любые металлы толщиной до 100–150 мм, меньшая ширина реза чем при газовой резке, лучшая поверхность, меньшая зона термических изменений. Скорость: 0,5–1,5 см/с в зависимости от толщины.
Для плазменной резки используются плазматроны прямого действия. Плазмообразующий газ – аргон, азот, водород или воздух. При микроплазменной резке ток 50–100 А, толщина резки до 8 мм, ширина реза до 1-го мм.
Общая характеристика процессов взаимодействия лазерного излучения с веществом
Лазерная обработка проводится с помощью остросфокусированного светового луча, излучаемого оптическим квантовым генератором (ОКГ). Излучение ОКГ является узконаправленным и монохроматичным. Угловая расходимость луча для рубина составляет 30΄, для стекла с примесью ниодима – 10΄.
Рис.6. Схема технологической лазерной установки.
Минимальный размер пятна d0, до которого может быть сфокусирован луч ОКГ, достигает значений 1 мкм.
Процесс взаимодействия лазерного излучения с обрабатываемым материалом можно разделить на следующие стадии:
– поглощение света с последующей передачей энергии тепловым колебаниям решетки твердого тела;
– нагрев материала без разрушения, включая и плавление;
– разрушение материала путем испарения и выброса его расплавленной части;
– остывание после окончания воздействия.