Лучевые методы обработки

Электронно-лучевая обработка основана на превращении кинетической энергии пучка электронов в тепловую. Высокая плотность энергии (до I МВт/см²) сфокусированного электронного луча позволяет обрабатывать заготовки за счет нагрева, расплавления и испарения материала с узколокального участка.

Схема установки для электронно-лучевой обработки (электронная пушка) представлена на рис. 117. В вакуумной камере 1 установки нагреваемый вольфрамовый катод 7, обеспечивает излучение (эмиссию) электронов. Электроны формируются в пучок специальным электродом и под действием электрического поля, создаваемого высокой разностью потенциалов между катодом 7 и анодом 6, ускоряются в вертикальном направлении. С помощью системы фокусировки и магнитных линз 5 пучок электронов формируется в луч малого диаметра и фокусируется на поверхности заготовки 3. Луч по поверхности заготовки перемещается отклоняющей системой 4. Заготовку закрепляют на столе 2.

Для размерной обработки заготовок установка работает в импульсном режиме, что обеспечивает локальный нагрев обрабатываемой поверхности. В зоне обработки температура достигает 6000°С, но уже на расстоянии 2 мкм от кромки луча она не превышает 300°С. Продолжительность импульса и интервалы между ними подбирают исходя из того, чтобы за один цикл успел нагреться и испариться металл только под лучом, а теплота не успела бы распространиться на всю заготовку. Продолжительность импульсов 10^-4 ÷ 10^-6 с, а частота импульсов 50 ÷ 5000 Гц. Диаметр сфокусированного электронного луча составляет 0, 0001мм.

Электронно-лучевой метод наиболее перспективен при обработке отверстий диаметром от 1 мм до 10 мкм, прорезания пазов, разрезания заготовок, изготовлении тонких пленок и сеток из фольги. Электронный луч также позволяет наносить покрытия на поверхности заготовок в виде пленок толщиной в несколько микрон, сваривать металлы с неметаллами и т.д. Этим методом обрабатывают тугоплавкие и химически активные металлы и сплавы (тантал, вольфрам, цирконий, молибден, нержавеющие стали), а также неметаллические материалы (рубины, керамику, кварц и др.).

Лазерная обработка основана на тепловом воздействии светового луча высокой энергии на поверхность обрабатываемой заготовки. Источником светового излучения является лазер - оптический квантовый генератор (ОКГ).

Энергия светового импульса ОКГ обычно невелика и составляет 20 - 100 Дж. Но эта энергия выделяется в миллионные доли секунды и сосредоточивается в луче диаметром около 0, 01 мм. В фокусе диаметр светового луча составляет всего несколько микрон, что обеспечивает температуру около 6000 ÷ 8000°С. В результате этого поверхностный слой материала заготовки, находящийся в фокусе луча, мгновенно нагревается и испаряется.

Лазерную обработку применяют для прошивания сквозных и глухих отверстий, разрезания заготовок на части, вырезание заготовок из листового материала, прорезания пазов и т.д.

Лазером можно обрабатывать любые материалы. Например, в алмазе обрабатывают отверстие диаметром 0, 5мм в течение долей секунд.

Лазерная обработка имеет ряд преимуществ перед электроннолучевой: для обработки заготовок не требуется создания вакуума, при котором значительно усложняется управление процессом; нет рентгеновского излучения; конструкция лазерной установки значительно проще конструкции электронной пушки.

Недостатками лазерного метода являются: отсутствие надежных способов управления движением луча и необходимость перемещения заготовки; недостаточная мощность излучения при значительной мощности импульсной лампы; низкий к.п.д. рубиновых ОКГ (около 2 %); перегрев рубинового стержня и трудности его охлаждения; недостаточно высокая точность обработки.

Сущность плазменного метода формообразования поверхностей состоит в том, что плазму (полностью ионизированный газ), имеющую температуру 10000 - 30000°С, направляют на обрабатываемую поверхность заготовки.

Плазму получают в плазменных головках (рис. 118). Дуговой разрез 3 возбуждается между вольфрамовым электродом 5 и медным электродом 4, выполненным в виде трубы и охлаждаемым проточной водой. В трубу подают газ (аргон, азот и др.) или смесь газов. Обжимая дуговой разряд, газ при соединении с электронами ионизируется и выходит из сопла головки в виде ярко светящейся струи 2, которая направляется на обрабатываемую заготовку 1.

Плазменным методом прошивают отверстия, разрезают заготовки, вырезают их из листового материала, строгают, точат, сваривают, паяют, наплавляют, создают защитные покрытия и т.д.