Нетрадиційні методи обробки металів (стр. 3 из 4)
Найпоширенішими є газові, твердотілі й напівпровідникові лазери.
Твердотілий лазер складається з робочої речовини, системи збудження, фокусування й охолодження. Твердотілі лазери працюють переважно в імпульсному режимі. їх робочою речовиною є тверді прозорі тіла, виготовлені з ітрієво-алюмінієвого гранату, синтетичного рубіну, неодимового скла та ін. В матриці робочої речовини рівномірно розподілені оптично активні атоми хрому, неодиму тощо.
Для збудження оптично активних атомів потрібна зовнішня енергія. Зі збуджених рівнів атоми переходять на нормальний рівень самовільно в непередбачуваний момент часу або вимушено в прогнозований момент часу під дією спеціального чинника, наприклад, світлового променя. Вимушений перехід атомів на нормальний рівень супроводжується випромінюванням когерентного світла.
Для лавиноподібного генерування когерентного світла необхідно, щоб кількість збуджених атомів перевищувала їхню кількість на нормальному рівні і щоб частина генерованого світла залишалась всередині тіла робочої речовини й стимулювала подальше вимушене випромінювання рештою оптично активних атомів. Цього досягають за допомогою двох паралельних дзеркал, одне з яких непрозоре й відбиває всі світлові промені тіла робочої речовини, а друге — напівпрозоре — теж їх відбиває, але частково пропускає назовні. Таке багаторазове проходження світлового променя крізь робочу речовину зумовлює переважно вимушене потужне випромінювання, що йде від оптично активних атомів.
Рис. 3. Схема обробки твердотілим лазером:
1 — імпульсна ксенонова лампа; 2 — корпус; 3 — рубіновий стрижень; 4 — лінза; 5 — заготовка
Для збудження активних атомів у твердотілому лазері використовують потужні світлові імпульсні лампи, наповнені ксеноном або криптоном.
Сфокусувати генеровані лазером промені у світлову пляму невеликого розміру й отримати значну густину світлової енергії можна, використавши систему оптичних лінз.
Значна частина енергії від імпульсної лампи перетворюється в теплоту, що нагріває робочу речовину. Щоб не допустити перегріву, застосовують охолодження повітрям, водою або рідким азотом. Охолодне середовище пропускають через скляну трубку, всередині якої перебуває робоча речовина.
У 1960 р. був розроблений перший лазер, робочою речовиною якого служив синтетичний рубін — штучно вирощений кристал із А12О3. В його об'ємі рівномірно розподілені 0,05 % атомів Хрому, як оптично активного елемента, здатного генерувати когерентне випромінювання довжиною хвилі X= 0,63 мкм.
На рис. 3 зображена конструктивна схема твердотілого рубінового лазера. Корпус 2 лазера має еліпсоподібний переріз, а на його внутрішню поверхню нанесене дзеркальне покриття. Всередині корпуса встановлені рубіновий стрижень 3 і ксенонова імпульсна лампа 1. Торці стрижня відполіровані, вони строго паралельні й перпендикулярні до його осі. На лівий торець нанесений непрозорий шар срібла, а на правий — напівпрозорий шар. Імпульсна лампа живиться конденсаторними батареями. Потужне світло лампи відбивається стінками корпуса й фокусується на рубіновому стрижні, внаслідок чого активні атоми Хрому переходять у збуджений стан і далі відбувається генерування лазерного випромінювання за схемою, описаною вище. Випущені лазером світлові промені потрапляють у систему лінз 4, а звідти — на заготовку 5.
Лазерними променями обробляють матеріали будь-якої твердості, в тому числі й алмази, прошиваючи отвори, вирізуючи заготовки часто складного профілю з листового матеріалу, обробляючи мікровпадини в деталях мікроелектроніки, усуваючи дисбаланс в обертальних деталях, безконтактно й дуже швидко наносячи клейма на вироби, виконуючи рисунки, гравіювальні роботи тощо.
Лазерним променем обробляють отвори, починаючи від діаметра в декілька мікрометрів у матеріалах з різними властивостями: каменях для годинників і приладів, в алмазах і твердих сплавах для фільєр, у металевих листах для сит тощо.
Форма і шорсткість поверхні отворів залежить від параметрів режиму обробки — густини енергії, кількості імпульсів, частоти й тривалості імпульсів.
Від густини енергії залежить температура матеріалу в зоні обробки. Зі збільшенням кількості імпульсів отвір поглиблюється, а з ростом тривалості імпульсу — набуває конічної форми. Надто тривалі імпульси спричинюють лише розплавлення металу без утворення отвору.
Якщо лазерним променем обробляти матеріал в рідині, то із зони обробки виносяться застиглі дрібні частинки матеріалу. Замість рідини можна використовувати стиснуте повітря, яким видувають з отвору частинки розплавленого металу.
Обробка лазерним променем високопродуктивна й легкорегульована. Недолік твердотілих лазерів — малий (до 1 %) ККД.
Пробивання отворів. За допомогою цього методу можна одержувати отвору діаметром 0,2-1,2 мм при товщині матеріалу до 3 мм. При співвідношенні висоти отворів до їхнього діаметра 16:1 лазерне пробивання перевершує по економічності майже всі інші методи.
У результаті вдається реалізувати таке широке коло технологічних процесів і методів обробки матеріалів (зварювання, наплавлення, маркірування, загартування, різання й ін.), що недоступне іншим видам інструмента.
Завдяки створенню надійного і досить економічного лазерного устаткування в 70-80-х рр. виникла нова промислова технологія - лазерна технологія обробки матеріалів.
Усілякий розвиток лазерної техніки і технології є зараз одним із пріоритетних напрямків прискорення науково-технічного процесу, важливим фактором інтенсифікації різних областей промисловості. Дотепер виконаний великий обсяг досліджень по застосуванню лазерів в обробці матеріалів, сформовані основні наукові напрямки, отриманий великий матеріал по роботі лазерної техніки в промисловості.
Розглянемо особливості конкретних технологічних процесів лазерної обробки матеріалів.
Фігурне різання деревних матеріалів. Цей процес широко використовується на багатьох малих підприємствах при виготовленні лиштв, карнизів, кронштейнів, меблів і кухонних виробів, скриньок, сувенірів і художніх виробів, емблем і товарних знаків з дорогоцінних порід дерева. Розкрій матеріалів з дошки, фанери, деревинно-стружкових плит товщиною до 40 мм здійснюється по складному програмувальному контурі при швидкості різання до 3 м/хв. Особливий інтерес представляє при цьому виготовлення художнього інкрустованого паркету.
Різання металів. Лазерне різання сталевих аркушів товщиною до 6 мм по складному контурі є найбільш розповсюдженим технологічним процесом лазерної обробки в промисловості. Її застосовують для вирізки таких деталей, як прокладки, кронштейни, панелі, приладові щитки, двері, декоративні ґрати, дискові пилки. Досить ефективним виявилося застосування лазерного різання фігурних виробів на стадії освоєння нової продукції, тому що через високу гнучкість лазерного устаткування значно скорочуються терміни освоєння виробів. У цих умовах лазерне різання економічне різання водяник струменем і ерозійним дротом. В даний час високими темпами розвивається різання просторових виробів, у тому числі з використанням роботів-маніпуляторів, при цьому лазерне випромінювання до зони обробки може передаватися по гнучкому оптичному електронному променепроводу.
Висновок
Електроерозійна обробка заснована на вириванні часток матеріалу з поверхні імпульсом електричного розряду. Якщо задано напругу (відстань) між електродами, зануреними в рідкий діелектрик, то при їхньому зближенні (збільшенні напруги) відбувається пробій діелектрика - виникає електричний розряд, у каналі якого утвориться плазма з високою температурою.
Так як тривалість використовуваних у даному методі обробки електричних імпульсів не перевищує 10-2 сек, що виділяється тепло не встигає поширитися в глиб матеріалу і навіть незначної енергії виявляється досить, щоб розігріти, розплавити і випарувати невелика кількість речовини. Крім того, тиск, що розвивається частками плазми при ударі об електрод, сприяє викидові (ерозії) не тільки розплавленого, але і просто розігрітої речовини. Оскільки електричний пробій, як правило, відбувається по найкоротшому шляху, те насамперед руйнуються найбільше близько розташовані ділянки електродів. Т. о., при наближенні одного електрода заданої форми (інструмента) до іншого (заготівлі) поверхня останнього прийме форму поверхні першого. Продуктивність процесу, якість одержуваної поверхні в основному визначаються параметрами електричних імпульсів (їхньою тривалістю, частотою проходження, енергією в імпульсі). Електроерозійний метод обробки об'єднав електроіскровий і електроімпульсний методи.
Електрохімічна обробка полягає в тім, що під впливом електричного струму руйнуються поверхневі шари металу деталі, поміщеної в електроліт. Частки металу, що лежать на поверхні деталі, розчиняються в електроліті, і деталь стає блискучою (електролітичне полірування), У тому випадку, якщо поверхні повинні бути додані визначені розміри, застосовують спеціальний інструмент для механічного видалення зруйнованої плівки металу.
Лазерне різання відноситься до числа перших технологічних застосувань лазерного випромінювання, апробованих ще на початку 70-х років. За минулі роки створені лазерні установки із широким діапазоном потужності(від декількох десятків ватів до декількох кіловатів), що забезпечують ефективне різання металів з використанням допоміжного газу, що надходить у зону обробки одночасно з випромінюванням лазера. Лазерне випромінювання нагріває, плавить і випаровує матеріал по лінії передбачуваного різання, а потік допоміжного газу видаляє продукти руйнування. При використанні кисню або повітря при різанні металів на поверхні руйнування утвориться оксидна плівка, що підвищує поглощательную здатність матеріалу, а в результаті екзотермічної реакції виділяється досить велика кількість теплоти.