А320201-"Технология машиностроения и оборудования" Рабочая программа по предмету «Управление качеством в машиностроении» для магистрантов основана на требованиях

12-лекция

Тема. Востоновление деталей с примением електромагнита

План :
Схема и сущность работы оптического квантового генератора.
Электронно-лучевая обработка.
В 1960 г. был разработан первый образец оптического квантового
генератора (ОКГ), в котором в качестве рабочего тела был использован
синтетический рубин. В 1961 г. был создан газовый лазер с активным
рабочим полем, состоящим из смеси гелия и неона. В настоящее время
он является наиболее мощным из семейства лазеров с лучом до сотен
киловатт. Дальнейшие исследования привели к созданию полупроводниковых лазеров.
Лазеры нашли широчайшее применение в различных отраслях и науки, и производства. Рассмотрим применение лазеров в технологии машиностроения [12].
Схемы и сущность работы оптического квантового генератора
Твердотельные ОКГ’ Лазеры, работающие в импульсно-периодическом режиме , в качестве рабочего вещества используют твердые тела. При
разряде батареи конденсаторов (рис. 3.45) лампа дает интенсивную вспышку
полихроматического света. Световое излучение воздействует на активные
атомы оптического резонатора, которые поглощают энергию накачки, возбуждаются и затем при переходе на низшие энергетические уровни гене -
рируют собственное излучение .
Не вся энергия, поглощенная стержнем, превращается в энергию излучения ОКГ. Значительная ее часть (40...70 %) превращается в тепло и
идет на нагрев стержня, поэтому в большинстве конструкций предусматривается охлаждение водой, воздухом или жидким азотом.
Газовые ОКГ\ В качестве рабочего тела используются газообразные ве -
щества, причем накачка, как правило, осуществляется за счет эффектов,
связанных с прохождением электрического тока через газ (рис. 3.46). В каче -
стве активных газов в газовых ОКГ применяют аргон, неон, криптон, ксе -
нон, смеси гелия и 'неона, углекислый газ с примесью азота и гелия
(C02+N2+He).
С целью увеличения мощности и уменьшения габаритов трубок они
соединяются последовательно с помощью зеркал (до 15 штук).

Полупроводниковые ОКГ генерируют когерентное излучение за счет
процессов, происходящих в /?-л-переходе . Работают как в импульсном, так
и в непрерывном режиме .



Жидкостные лазеры. В них в качестве рабочего поля используют неорганические растворы соединений редкоземельных элементов или органические красители.
Промышленный опыт использования ОКГ показывает ряд технологических преимуществ:
1) энергию в виде светового луча можно передавать на расстояние (в
том числе через прозрачную разделительную перегородку или по специальному световоду);
2) отсутствует механический и электрический контакт между источником энергии и изделием в месте обработки;
3) высокая концентрация энергии в пятне нагрева при острой фокусировке ;
4) можно плавно регулировать плотность лучистого потока в пятне
нагрева за счет изменения фокусировки луча;
5) высокие температуры в зоне воздействия излучения;
6) можно получать как импульсы энергии весьма малой длительности
(до 10'9 с), так и непрерывное излучение ;
7) малые размеры зон обработки (до нескольких мкм);
8) Технологический процесс можно вести в любой оптически прозрачной зоне.
На лазерных установках в настоящее время выполняются следующие
технологические операции: резка металла, сварка, закалка или упрочне -
ние , легирование .
Резка металла производится преимущественно лазерами поперечного
действия (газовые с использованием С02) мощностью 5 кВт. Обработке
подвергаются заготовки из низкоуглеродистой стали (до 10 мм), легированной стали (до 6 мм), никелевых сплавов (до 5 мм), титана (до 10 мм).
Перемещение заготовки для вырезки по контуру осуществляется с помощью тактовых столов с ЧПУ.
Лазерная сварка — технологический процесс, связанный с локальным плавлением.
Импульсные твердотельные лазеры позволяют сваривать конструкции
из тонколистовых материалов толщиной 0,1...1,0 мм. Сравнительно неболь шая зона термического воздействия исключает коробление конструкций.
Возможна сварка неметаллических материалов. Поэтому лазерная сварка
нашла широкое применение в электронике .
Особенность лазерной закалки заключается в том, что процесс протекает с очень высокой скоростью. Большая энергия лазерного излучения поглощается на небольшом участке поверхности за несколько миллисекунд, в
результате этого в тонких поверхностных слоях деталей происходят структурные изменения, не затрагивающие основную массу детали. Высокая скорость охлаждения обеспечивается отводом тепла в материал детали.
Наличие сверхвысоких скоростей нагрева и охлаждения участков поверхности деталей существенно отличает лазерную закалку от традиционных методов термообработки и позволяет получить высокую поверхностную микротвердость — до 10 000 МПа.
Рассмотрим принцип управления режимами лазерного упрочнения и
обработки. Но прежде всего — несколько понятий:
1. Энергия излучения измеряется в джоулях (Дж), а регулирование
осуществляется напряжением накачки газоразрядной лампы. Максимальная энергия излучения ограничивается возможностями активного элемента
(для установки «Квант-16» — до 40 Дж).
2. Плотность энергии измеряется в Вт/см или в Дж/мм.
3. Дофокусная и послефокусная зоны. В связи с неоднородностью излуче -
ния по сечению луча практически рекомендуется работать в зафокусной зоне,
хотя при этом и происходит частичное уменьшение плотности энергии.
4. Коэффициент перекрытия пятен ( К), рис. 3.47.
Процесс лазерного упрочнения возможен в двух областях плотностей
энергии излучения:
1) без оплавления поверхности Q3;
2) с оплавлением поверхности Q2.

Электронно-лучевая обработка

Изобретение электронной лампы положило начало широкому использованию в науке и технике потоков электронов. Необходимость создания электронных приборов привела к возникновению отрасли промышленности — электронной техники и способствовала развитию вакуумной техники и технологии. Средствами электронной техники удалось получить мощные электронные пучки, энергия которых достаточна для осуществления технологических процессов. Электронный луч как технологический инструмент позволяет осуществлять нагрев, плавку и испарение практически всех материалов, сварку, размерную обработку, нанесение покрытий. Но, несмотря на широкие технологические возможности, применение электронного луча не получило распространения по причине высокой стоимости электроннолучевого оборудования, необходимости высокой квалификации обслуживающего персонала, из-за сложности средств обеспечения безопасности и по причине конкуренции со стороны лазерных установок.
Формирование электронного луча для технологических целей состоит
из следующих основных стадий: получение свободных электронов; ускоре -
ние электронов электростатическим или магнитным полем и формирование пучка; изменение поперечного сечения электронного пучка для фокусирования на обрабатываемой поверхности; отклонение электронного луча и обеспечение требуемой траектории на обрабатываемой поверхности. Для получения электронного луча и управления им применяют специальные
устройства, называемые электронными пушками. Функциональная схема
устройства показана на рис. 3.49.
Источником электронов обычно служит термоэмиссионный катод 7,
температура разогрева которого в зависимости от материала равна
1870...3100 °С.

На некотором расстоянии от катода находится анод 2. Между катодом и анодом от специального высоковольтного источника питания, входящего в состав блока 8, прикладывается ускоряющее напряжение в 30...150 кВ.
Этим напряжением электроны ускоряются до значительных скоростей.
Большая часть их проходит через отверстие в аноде 2, и в заанодном пространстве они движутся по инерции. С помощью магнитной линзы 3 происходит фокусирование электронного пучка.