Файл: Учебное пособие для студентовзаочников. Компьютерная версия. 2е изд., перер и доп. Челябинск юурГУ, 2006. 89 с. З. И. Поляков и др., 1986. Издво Челябинского политехнического инсти тута имени Ленинского комсомола.pdf

48
2.6 Электроалмазное шлифование
Для осуществления процесса алмазно-абразивный круг на токопроводя- щей основе присоединяют к отрицательному полюсу источника постоянного тока, круг при этом становится катодом (рис. 2.6).
Обрабатываемую деталь подключают к положительному полюсу — она становится анодом. Межэлектродный зазор между анодом и катодом обеспечи- вается абразивными (алмазными) диэлектрическими зернами.
В зазор подается электролит, содержащий свободные ионы натрия, нит- рата, гидроксила и др. Под воздействием электрического тока усиливается дис- социация молекул электролита и химическое взаимодействие свободных ионов с анодом. В результате на катоде выделяется водород, а на деталях образуется пленка окислов и гидратов окислов металла — анода.
-
+
-
+
1 2
3 4
5 6
А
А
Рис. 2.6 Принципиальная схема АЭХО:
1 — обрабатываемая деталь — анод; 2 — токопроводящая связка круга — катод;
3 — источник постоянного тока; 4 — продукты электрохимического растворения и срезаемая стружка; 5 — абразивные (алмазные) зерна — диэлектрики; 6 — электролит.
Пленка, образующаяся на поверхности детали, пассивирует электрод и тормозит процесс дальнейшего растворения анода. Однако абразивные зерна катода, вращающегося с большой скоростью, разрушают эту пленку, и процесс анодного растворения обрабатываемой детали продолжается. В процессе обра- ботки токопроводящая связка шлифовального круга может касаться обрабаты- ваемой поверхности детали. При этом в точке касания возникают контактно- дуговые (эрозионные) разряды, частично принимающие участие в разрушении соприкасающихся электродов. Таким образом, процесс анодного растворения в условиях АЭХО токопроводящим кругом интенсифицируется благодаря меха- нической и эрозионной депассивации анодной поверхности. Степень депасси- вации возрастает с увеличением скорости подачи алмазного инструмента в про- цессе обработки.
Положительная роль контактно-дуговых процессов заключается в эрози- онном разрушении стружки и микро выступов связки круга, а отрицательная —

49
в увеличении удельного алмазного инструмента и ухудшении качества поверх- ности.
Процесс резания металла при АЭХО осуществляется в необычных усло- виях. Прежде всего, в качестве смазочно-охлаждающей жидкости используется электролит, а на обрабатываемой поверхности находятся аморфные продукты растворения и адсорбированного газа, снижающие коэффициент трения сопри- касающихся пар (абразив-металл). Ускорение растворения различных леги- рующих элементов в составе обрабатываемых материалов и адсорбционное снижение прочности ослабляют кристаллическую решетку металла. Все это приводит к существенному снижению составляющих силы резания, а совмеще- ние зон резания и анодного растворения уменьшает эффективную мощность шлифования при одновременном увеличении удельного съема металла над суммой съемов каждого из слагаемых процесса.
В общем случае линейная скорость съема металла при АЭХО может быть представлена как сумма трех составляющих; механической, электрохимической и электроэрозионной. В настоящее время строгое количественное разделение и оценка каждого из входящих в АЭХО не представляется возможным. Учитывая низкое рабочее напряжение (5...8 В) и высокую суммарную производитель- ность процесса, электроэрозионным съемом металла можно, по-видимому, пре- небречь. Доля электрохимического съема в общем съеме при наиболее распро- страненных режимах обработки составляет 40...60%.
Удельные затраты энергии на резание в условиях АЭХО в 2,5...3 раза ни- же при обработке твердых сплавов и в 1,2...1,5 раза при обработке сталей, чем при обычной алмазно-абразивной обработке. Уменьшение силы резания и тем- пературы в зоне обработки при высокой производительности съема металла оп- ределили область использования AЭXO. Этот способ нашел широкое примене- ние при обработке твердосплавного инструмента на всех стадиях его механиче- ской обработки: операциях чернового, чистового и доводочного шлифования.
Доля электрохимического съема металла зависит от многих факторов, в том числе и от силы тока. На силу тока при прочих постоянных условиях в зна- чительной мере влияет сопротивление межэлектродного промежутка, которое определяется видом металлической связки круга, размеров абразивных (алмаз- ных) зерен, составом электролита и др.
Зернистость круга определяет величину зазора между анодом и катодом, оказывая большое влияние на интенсивность протекания электрохимического процесса. Одновременно зерна круга сами являются режущими элементами и их величина сказывается на доле механического съема металла. Шероховатость поверхности при АЭХО меньше, чем при обычном алмазно-абразивном шли- фовании и практически мало зависит от зернистости круга. Это значит, что увеличение зернистости в некоторых пределах повышает производительность и не увеличивает шероховатость. На основании экспериментальных данных, эко- номического анализа и производственного опыта для АЭХО рекомендуются круги зернистостью 250/200 и 200/160, обеспечивающие наивысшую произво- дительность и наименьшую себестоимость обработки.

50
Токопроводящая связка круга является одним из факторов, влияющих на омическое сопротивление цепи, а, следовательно, и на эффективность электро- химического растворения. Кроме того, вид связки определяет способность ее удержать зерна круга. Максимальную производительность круга при мини- мальном износе показывают связки МВI и MOI3E. Кроме связок на металличе- ской основе, используются абразивные шлифовальные круги на токопроводя- щей графитовой основе в основном на чистовых и доводочных операциях.
Для алмазных кругов важным показателем является количественное со- отношение между зернами и связкой. Заводами выпускаются круги с 25, 50,
100, 150%-ной концентрацией алмазов. За 100%-ную концентрацию условно принято содержание 4,4 карата алмаза в 1 см
3
алмазного слоя, что занимает около 25% его объема. Наибольшая скорость съема достигаемся при работе алмазными кругами 100%-ной концентрации, которые достаточно полно обес- печивают сочетание механического резания и процесса электрохимического растворения.
Форма круга выбирается в соответствии с технологической операцией.
Следует иметь в виду, что производительность процесса АЭХО возрастает с увеличением площади соприкосновения круга с деталью. Наибольшая площадь соприкосновения наблюдается при работе торцом шлифовального круга. По- этому предпочтительной формой алмазного круга при АЭХО является чашко- образная. Используя круги такой формы на операциях заточки твердосплавного инструмента, добиваются самой высокой производительности до 1000 мм
3
/мин при шероховатости поверхности до R
а
= 0,32...0,08.
На производительность АЭХО в значительной степени влияет электро- проводность электролита и его состав. В настоящее время в литературе реко- мендовано огромное количество различных составов электролитов. В произ- водстве чаще всего используются водные растворы солей натрия.
На практике для осуществления электрохимического растворения в про- цессе АЭХО применяют напряжения 6...10 В и более. При выборе величины рабочего напряжения учитывают ряд факторов. Очень важно исключить воз- можность интенсивного искрообразования. Электроэрозионные процессы уве- личивают износ круга и ухудшают качество обработанной поверхности.
Механические режимы АЭХО определяются скоростью шлифовального круга, давлением обрабатываемой детали на круг или глубиной резания и ско- ростью продольного перемещения детали относительно круга. На основании научных исследований и опыта производства скорость шлифовального круга при абразивно-алмазной электрохимической обработке находится в интервале
25...30 м/с, величина удельного давления 5...10 кг/см, а скорость продольного пересечения детали относительно круга 4...6 м/мин.
По сравнения с обычным абразивно-алмазным шлифованием производи- тельность АЭХО повышается в 2...3 раза, сокращается расход кругов в 3 раза.
За счет повышения качества обработанных поверхностей и отсутствия дефект- ного слоя на ревущих поверхностях заточенного инструмента на 30% повыша- ется его стойкость, а общий годовой расход снижается на 15%.

51
-
+
1 2
3 4 э л е к т р о л и т
2.7 Алмазно-абразивная электрохимическая обработка
электронейтральным инструментом
Процесс электрохимического растворения может быть совмещен с про- цессом резания по схеме с электронейтральным алмазно-абразивным инстру- ментом и отдельным электродом катодом, причем зоны механического и элек- трохимического съема металла разнесены во времени и пространстве (рис. 2.7).
Наиболее часто эти схемы обработки применяются на операциях хонин- гования, суперфиниширования и доводки, где процессы механической обработ- ки интенсифицируются электрохимическим растворением металла. Зона элек- трохимического растворения создается с помощью электрода-инструмента 4
(рис. 2.7), подключенного к отрицательному полюсу источника постоянного тока I. Положительный полюс источника соединяется с обрабатываемой дета- лью 2. Рабочая поверхность электрода-инструмента 4 выполнена эквидистантой к поверхности детали I и удалена от нее на некоторый зазор. Через цилиндри- ческие щелевые каналы в электроде-инструменте в зазор подается электролит под давлением 0,5…1 кг/см
2
. Абразивный инструмент токонепроводящий на керамической или органической связке. По кинематическим признакам описан- ные схемы не имеют отличий от схем механической алмазно-абразивной обра- ботки, что позволяет легко модернизировать под способы АЭХО универсаль- ные станки. v
V
-
+
1 3
2 4 э л е к т р о л и т
-
+
1 2
4 э л е к т р о л и т
V
3 v
+
-
1 2
3 4 э л е к т р о л и т
Рис. 2.7. Принципиальная схема АЭХО с электронейтральным алмазно-абразивным инструментом: а) круглое наружное шлифование; б) суперфиниширование; в) хонингование; г) доводочные операции. а б
а в
г

52
3. Лазерные технологии, применяемые в машиностроении
3.1 Общие сведения о лазерах
Одним из качественно новых технологических процессов, все шире вне- дряемых в производство, являются лазерные технологии. В их основе лежит тепло- вое воздействие на материалы электромагнитного излучения, создаваемого опти- ческими генераторами — лазерами.
Возможности сфокусированного пучка лазерного излучения уникальны.
Процесс обработки лазерным лучом отличается от традиционных методов обра- ботки отсутствием контактных явлений в зоне обработки, минимальной зоной теп- лового воздействия, универсальностью сфокусированного пучка — инструмента и возможностью автоматизации процесса.
В атомах электроны вращаются вокруг ядер по орбитам, составляющим дискретные
электронные слои.
Вращающиеся электроны обладают энергией, за- висящей от расстояния данного слоя от ядра. Таким образом, можно рассматри- вать систему
уровней энергии,
которые составляют
энергетический спектр
ато- ма или молекулы.
Возможное наименьшее энергетическое состояние атома является устойчи- вым (основное состояние). Переход атома или молекулы в более высокое энерге- тическое состояние связано с его возбуждением.
Число частиц в единице объема вещества, имеющих данный уровень энер- гии, называют
населенностью энергетического уровня.
В возбужденном состоя- нии населенность верхних энергетических уровней повышенная. Это явление на- зывают
инверсией населенности.
Снижение энергии происходит за счет ее выделения в виде квантов. Это, так называемый,
излучательный кванто-
вый переход.
Энергия может снижаться и за счет безизлучательных переходов (за счет передачи избытка энергии другим частицам или усилия теплового коле- бания решеток).
Излучательные квантовые переходы могут быть
самопроизвольными
(спонтанными) и вынужденными.
Спонтанное излучение происходит слу- чайно, кванты испускаются хаотично в разные моменты времени и в разных направлениях в пространстве. Поэтому такое излучение является некогерент- ным и широкополосным по спектру.
Вынужденное излучение инициируется поглощением попадающих в вещество квантов и созданием инверсии населенности. При вынужденном из- лучении в процесс вовлекаются как
первичные
вынуждающие кванты, так и
вторичные,
испускаемые возбужденным атомом. Поэтому выделяемая при этом процессе энергия увеличена. В отличие от спонтанного излучения, вы- нужденное является когерентным, оно соответствует частоте, фазе, поляриза- ции и направлению первичного излучения.

53
3.2 Принцип работы лазеров
В основе работы лазеров лежат три явления: поглощение веществом энергии,
спонтанное и вынужденное излучения
возбужденной системы ато- мов.
Осуществление инверсии населенности в веществе может происходить за счет поглощения энергии внешнего электромагнитного излучения или дру- гими воздействиями (например, электронным возбуждением). Такие процес- сы условно называют «
накачкой».
Следует заметить, что хотя возбужденные атомы могут иметь большое количество энергетических уровней, переходы возможны только между дву- мя соседними.
На рисунке 3.1 в качестве примера рассмотрены схемы оптической накачки и получения лазерного излучения при наличии трех и четырех энергетических уровней. Первая схема (рис. 3.1, а) реализована Н.Г. Ба- совым и А.М. Прохоровым (1955 г.) в активной среде рубина с примесью хрома. н а к а ч к а
1 2
3 б ы с т р ы й б е з ы з л у ч а т е л ь н ы й п е р е х о д н а к а ч к а л а з е р н а я г е н е р а ц и я
1 3
4 б ы с т р ы й б е з ы з л у ч а т е л ь н ы й п е р е х о д л а з е р н а я г е н е р а ц и я
2 б ы с т р ы й б е з ы з л у ч а т е л ь н ы й п е р е х о д а) б)
Рис. 3.1. Схемы накачки: а) трехуровневая схема, б) четырехуровневая схема.
В результате оптической накачки повышается энергия на уровне 3 за счет перевода атомов с основного в возбужденное состояние и осуществляется пе- реход 3→2 в ионах хрома безизлучательным путем. Вероятность перехода 3→2 значительно больше, чем 2→1, в силу чего происходит накопление энергии на уровне 2. Поскольку создается инверсия населенностей, возникает вынужден- ное излучение 2→1.
При четырехуровневой схеме (рис. 3.1, б) (неодимовое стекло и кристалл граната с примесью ионов неодима) за счет накачки повышается энергия четвер- того уровня ионов неодима. Здесь вероятности переходов 4→3 и 2→1, осущест- вляемых безизлучительными процессами, больше, чем квантового перехода
3→2. Поэтому на уровне 3 создается инверсия населенности и возникает ла- зерное излучение 3→2.
Важным условием работы лазера является усиление лазерного излучения в так называемых
активных средах
из-за лавинного размножения квантов излу- чения. Понятно, что чем больше активной среды и уровень накачки, тем больше интенсивность выходящего из нее излучения.

54
С помощью плоскопараллельных зеркал, одно из которых полупрозрачно, можно удлинить прохождение излучения в активной среде и создать условия для его усиления и генерирования. На рисунке 3.2 схематично показан резонатор, ос- нованный на этом принципе.
Первоначально (а) все атомы активной среды (вещества) находятся в ос- новном состоянии кроме трех. Внешнее электромагнитное поле переводит часть атомов в возбужденное состояние — происходит процесс поглощения (б).
При этом спонтанно возникшие фотоны (в), двигающиеся вдоль оси активной среды, отражаясь от зеркал резонатора (в, г), каждый раз будут вызывать выну- жденное излучение идентичных фотонов. Спонтанно излученные фотоны, имеющие другие направления, будут выходить из активной среды. Вынужден- ное излучение возбужденных атомов приведет к лавинному процессу рождения фотонов, подобных первичным (г, д).
1 2
3 4
Рис.3.2. Схема работы активной среды в резонаторе с плоскопараллельными зеркалами:
1 — глухое зеркало, 2 — активная среда, 3 — полупрозрачное зеркало, о — невозбужденные атомы (основное состояние), • — возбужденные атомы. а б в г д

55
Этот процесс будет продолжаться до того времени (д), пока интенсив- ность излучения достигнет своего порогового значения, после чего появится направленный пучок лазерного излучения (4). Для получения усиления вы- шедшие из резонатора волны должны быть в одинаковой фазе, чтобы при их интерференции (сложении) результирующая амплитуда стала максимальной.
Лазерное излучение по своей структуре представляет собой совокупность отдельных порций фотонов, время образования и выхода которых, также как и участки резонатора, где осуществляется этот выход, могут различаться.
В настоящее время для различной обработки материалов при помощи лазерного излучения в основном применяются твердотельные и газовые лазе- ры.
Лазеры, в которых в качестве активной среды используется твердое тело с ионами, играющими роль активных центров (например, стержень из стекла или алюмоиттриевого граната, активированный неодимом), называются твер- дотельными.
Лазеры, в которых в качестве активной среды используются газы или их смеси (например, аргон или смесь газов из углекислого газа, азота и гелия), на- зывают газовыми.
Те и другие лазеры конструктивно могут быть исполнены для работы в импульсном, импульсно-периодическом и непрерывном режимах излучения.
Импульсный режим работы лазера характеризуется одиночными импульсами лазерного излучения, следующими друг за другом через заданный промежуток времени. Импульсно-периодический режим работы сопровождается непре- рывными сериями импульсов с короткими временными промежутками между ними. При отсутствии промежутков между импульсами режим работы лазера называется непрерывным.
Принципиальная схема твердотельных лазеров показана на рисунке 3.3.
Активный элемент 1, лампа накачки 5 и отражатель 4 состав- ляют узел, называемый квантро- ном. Он охлаждается дистилли- рованной водой (внутренний кон- тур охлаждения). Наружный кон- тур охлаждения лазера подключа- ется к водопроводной сети. Кван- трон, помещенный в резонатор
(заключенный между зеркалами 2 и 3), превращается в генератор
(излучатель) лазерного излуче- ния. Источник 6 питания лазера предназначен для обеспечения работы его излучателя в опреде- ленном режиме работы.
Из газовых лазеров для обработки материалов наиболее приемлемым оказались лазеры на углекислом газе, обладающие достаточными мощностями
1 2
3 4
5 6
Рис. 3.3. Принципиальная схема твердотельного лазера: 1 — активный элемент;
2,3 — резонатор; 4 — отражатель; 5 — лампа накачки; 6 — источник питания.