Файл: Альтернативные методы обработки материалов 2 Метод лазерной обработки 5.docx

Оглавление

Введение

Высокие технологии определяют уровень выпускаемо продукции, ее конкурентоспособность и, в конечном счете, эффективность всей производственно деятельности. В условиях глобализации мировой экономики от степени развития высоких технологий и их использования в производственной сфере зависит выживаемость любой страны, ее экономический потенциал. К высоким технологиям, прежде всего, относятся новейшие методы обработки материалов, разработанные на базе последних достижений фундаментальных наук, и, в частности, нетрадиционные методы.

Эти методы обработки охватывают все технологии, основанные на механизмах, отличных от ме­ханического воздействия на материал. До недавнего времени их объединяли названием «Электрофизические и электрохимические методы обработки». В связи с появлением процессов, не вписы­вающихся в эту рубрикацию, по­лучают распространение новые названия — «физико-технические методы обработки», «обработка материалов по специальным технологиям», «нетрадиционные методы обработки». Начиная с разработки супругами Б.Р. и Н.И. Лазаренко электроэрозионной обра­ботки в 1943 г. эти методы интен­сивно развиваются в последнее время и прогнозируется их еще более активное развитие и внедрение в производство в будущем.

Альтернативные методы обработки материалов

Электрохимическая обработка занимает прочные позиции в аэрокосмическом комплексе при необходимости изготовления сложнопрофильных деталей из труднообрабатываемых жаропрочных сплавов. Высокая производительность и качество обработки,

---

отсутствие остаточных напряжений, зоны термического влияния, заусенцев после обработки являются существенными достоинствами технологии, определяющими ее дальнейшее использование и развитие. Тем не менее вследствие ужесточенных в последнее время требований экологической безопасности более широкое распространение этой технологии в значительной мере сдерживается.

Электроразрядная обработка является до сих пор одним из самых распространенных методов нетрадиционной обработки и благодаря своим уникальным возможностям и достигнутому уровню развития останется таковым и в ближайшие годы при изготовлении сложнопрофильных полостей штампов, пресс-форм, литейных форм, различных видов инструмента и т.п. Особенно интересные результаты следует ожидать в микрообработке, где уже и сейчас имеются уникальные достижения.

Ультразвуковая обработка по-прежнему является вне конкуренции при изготовлении сложнопрофильных деталей из различных хрупких сверхпрочных материалов. Несмотря на определенные сложности с расчетами специального инструмента, эта технология имеет свою нишу и перспективы дальнейшего совершенствования. В последнее время особое значение она приобретает в ювелирной промышленности при изготовлении уникальных изделий из полудрагоценных и драгоценных камней.

Лазерная технология. В этой сравнительно новой области науки и техники в последние годы наблюдается настоящий бум, связанный как с созданием новых типов лазеров, так и с появ­лением новых применений лазерного излучения. Одним из главных недостатков лазерных систем до недавнего времени считался низкий КПД излучателей, приводящий к большому потреблению электроэнергии, требующий использования специальных систем охлаждения

---

, обуславливающий значительные габариты технологического оборудования. Появление надежных и доступных полупроводниковых лазеров (имеющих КПД до нескольких десятков процентов) позволило использовать их для накачки мощных лазеров на твердом теле, что повысило эффективность лазеров на алюмоиттриевом гранате (АИГ), а также значительно упростило конструкцию технологических установок. Сейчас уже разработаны установки с мощностью излучения до нескольких киловатт. Их можно использовать для упрочнения, сварки, наплавки и т.п. Излучение этих лазеров, так же как и излучение твердотельных лазеров на АИГ, может сравнительно легко транспортироваться на значительные расстояния, подаваться в труднодоступные места с помощью оптических волоконных световодов, что является важным достоинством указанных типов лазеров.

Биообработка. Очень необычный метод биологической размерной обработки металлических материалов разрабатывается в лаборатории нетрадиционной обработки Университета Окаяма в Японии. Суть предложенного метода заключается в использовании для сверхлокального разрушения материала особого вида бактерий, способных «перерабатывать» или «есть» металл. В природе существуют микроорганизмы, которые в качестве источника энергии используют энергию окисления неорганического вещества (например, железа, серы). Это бактерии типа тиобацилус ферооксидант (Thiobacillus femxmdans) и тиобацилус тиооксидант (Thiobacillus thiooxidans). Так, например, бактерия тиобацилус феррооксидант может получить энергию при окислении двухвалентного железа. Эта бактерия имеет очень малые размеры — диаметр около 0.5 мкм, длина 1 мкм, что является большим преимуществом при микрообработке (нано-обработке), т.к. объемы удаляемого материала будут очень малыми. Другим преимуществом такого вида обработки является полное отсутствие дефектного слоя или зоны термического влияния после выполнения процесса.

---

Метод лазерной обработки

Влияние лазера на мир

Лазерная обработка - инструмент для современного производства. По мнению многих экспертов (Информационный бюллетень Лазерной ассоциации РФ, май 2000 г.) мир в последние годы вступил в эпоху третьей промышленной революции. Первые две, как известно, были вызваны массовым освоением принципиально новых для своего времени видов энергии - сначала паровых машин, затем электричества. Всякий раз переход к использованию более высококачественной энергии (особенно с точки зрения возможности ее преобразования в другие виды энергии) приводил к появлению новой технической и интеллектуальной атмосферы, созданию принципиально новых машин, приборов, технологий. Третья промышленная революция обусловлена широким внедрением энергии когерентного светового излучения - лазерного луча. Возможности высокой концентрации лазерного излучения в пространстве, во времени, в частотном спектре открыли абсолютно новые перспективы для размерной и локальной поверхностной обработки материалов, для бесконтактной диагностики процессов и управления ими, для прецизионных измерений, для регистрации, обработки и передачи информации.

Уже сегодня степень насыщения лазерным оборудованием для всех передовых промышленных стран стала одним из важнейших - наряду с компьютеризацией - критериев индустриального развития. При этом роль флагмана в процессах освоения новых типов лазерного оборудования и технологий в промышленном производстве играет машиностроение. Это обусловлено, во-первых, общей лидирующей ролью этой отрасли в мировом научно-техническом прогрессе, а во-вторых, высочайшей технико-экономической эффективностью внедрения здесь лазерных технологий. Значительную долю в производстве лазерной техники составляют лазерные технологические установки для обработки различных материалов (резка, сварка, сверление, маркировка, локальное модифицирование поверхностного слоя и т.д.) и лазерная контрольно-измерительная и диагностическая аппаратура (мгновенный контроль размеров, перемещений, угловых и линейных скоростей, вибраций, внутренних напряжений и деформаций, размеров и концентраций микрочастиц, экологический мониторинг и многое другое). Ежегодно в мире продаются многие тысячи единиц такой аппаратуры и практически

---

каждый машиностроительный завод в США, Японии и Западной Европе использует лазерные технологии и методики, а многие производства без них уже просто невозможны. В основе использования лазерных технологий в первую очередь лежит экономическая выгода, которая проявляется или напрямую, через снижение стоимости технологического процесса, или косвенно, через более высокие потребительские качества продукции. Большой экономический эффект возникает за счет экономии материалов и энергоресурсов (при сварке, резке), повышения производительности труда (сварка, размерная обработка, маркировка). Немаловажное значение приобретают вторичные эффекты, которые реализуются при использовании конструкций, изначально ориентированных на лазерные технологии (например, достижение большей прочности конструкции при одновременном снижении их металлоемкости).

Принцип работы лазеров

Лазер – это генератор когерентного электромагнитного излучения в оптическом диапазоне длин волн (10^-2–10^-3 м), основанный на использовании индуцированных переходов (ГОСТ 15093-90). Слово «лазер» составлено из начальных букв английского словосочетания: усиление света посредством вынужденного испускания. В самом термине «лазер» отражена фундаментальная роль процессов вынужденного испускания, которую они играют в генераторах и усилителях когерентного света.

Принцип работы лазеров основан на поглощении и излучении атомами квантов света. В отсутствие внешних возмущений атом может находиться в стабильном состоянии с минимальной энергией. Все другие состояния нестабильны. Возбуждённый атом может пребывать в нестабильном состоянии короткое время порядка 10^-8с, после этого он переходит в одно из низших состояний, испуская квант света. На некоторых энергетических уровнях атом может пребывать значительно больше, порядка 10^-3с. Такие уровни называются метастабильными.

Переход атома в более высокое энергетическое состояние может происходить при резонансном поглощении фотона, энергия которого равна разности энергий в конечном и начальном состояниях. Кроме того, возможен переход возбуждённого атома на более низкий уровень с излучением двух квантов. Переход электрона с верхнего энергетического уровня на низший происходит под действием внешнего поля. Возникающее при этом излучение называют вынужденным или индуцированным. Именно индуцированное излучение является физической основой работы лазеров.

---