|
КОНЦЕНТРИРОВАННЫМИ ПОТОКАМИ ЭНЕРГИИ
ВВЕДЕНИЕ
Перед промышленностью нашей страны поставлена задача перехода от экстенсивного пути развития к интенсивному. Решение этой задачи в машиностроении - одной из определяющих отраслей научно-технического прогресса - возможно в следующих направлениях:
разработка и внедрение ресурсосберегающих технологий;
создание материалов с высокими эксплуатационными свойствами;
применение новых производственных систем на основе широкого внедрения роботехнических комплексов, микропроцессорной техники, ЭВМ.
Разработке и внедрению ресурсосберегающих технологий уделяется особое внимание, поскольку на них базируется внедрение новых материалов и производственных систем. Перспективной является технология ОКПЭ. Отличительная черта способов ОКПЭ (лазерного, электоронно-лучевого, плазменного, иоино-вакуумного и др.) от традиционных - возможность создания высокой плотности энергии, что позволяет получать высокие свойства зон материала, подвергнутых воздействию ОКПЭ, основанные на особенностях структурно-фазовых превращений.
Создание новых видов ОКПЭ требует применения новейших достижений науки и техники. Для плодотворной деятельности в этой области машиностроения необходимы специалисты, прошедшие целевую подготовку. Главным в этой подготовке должно быть знание фундаментальных и прикладных наук.
Наряду с рассмотрением технологии процессов ОКПЭ как единого целого дается представление и о каждом из них с описанием физической сущности, технологических возможностей и оборудовапия.
Усвоение курса ОКПЭ непосредственно после получения общетехнических знаний дает возможность альтернативного подхода к технической специализации на последующих курсах. ОКПЭ нашла широкое применение в таких передовых отраслях машиностроения, как авиа-, судо- и приборостроение, оборонная промышленность и т.п. Поэтому подготовка инженеров-технологов, занимающихся ОКПЭ, - актуальная задача машиностроительных кафедр институтов.
ХАРАКТЕРИСТИКА МЕТОДОВ ОБРАБОТКИ
КОНЦЕНТРИРОВАННЫМИ ПОТОКАМИ ЭНЕРГИИ
Технологическую перспективность методов обработки, связанных с использованием ускоренных потоков заряженных частиц, лазерного излучения, электронных пучков, плазмы, магнитного и электрического полей, импульсной и ускорительной техники, предопределяют следующие особенности:
1) высокая концентрация энергии, вводимой в зону технологического воздействия, и большое пространственное и временное разрешение в пределах этой зоны. Это обеспечивает локальность и прецизионность обработки при существенно меньших суммарных энергозатратах;
2) малая инерционность процессов вследствие прямого преобразования электрической энергии в энергию технологического воздействия (без промежуточных механических звеньев), практическое отсутствие инструмента (а следовательно, и его износа), механического (динамического) контакта с обрабатываемой деталью. Это дает мобильность в управлении, возможность глубокого регулирования режимов обработки в сочетании с простотой позиционирования и закрепления деталей, открывая широкую перспективу эффективного использования технологий ОКПЭ в таких наиболее прогрессивных формах современного машиностроения, как обрабатывающие центры, роторные линии, робототехнические комплексы и гибкие автоматизированные системы на основе микропроцессорной техники и адаптивных управляющих ЭВМ;
3) возможность направленной модификации свойств поверхиостного слоя. Это позволяет на качественно новом уровне решать одну из важнейших задач - обеспечение оптимального соотношения свойств поверхности и объема материала.
Практически все деградационные процессы (износ, коррозия, рост усталостных трещин), приводящие к отказам изделий, начинаются с поверхности и определяются свойствами относительно тонкого поверхностного слоя. Технология ОКПЭ представляет весьма широкий спектр возможностей модификации этих свойств - (плазменное напыление, лазерная наплавка и легирование). При этом отпадает необходимость использования объемно-легированных материалов и появляется возможность в известной степени решить кардинальную задачу машиностроения - повышение надежности и долговечности деталей и машин. Это, в свою очередь, позволит существенно сократить фонд запчастей, затраты в нерентабельном ремонтном производстве. Заметим, что рассматриваемые процессы (например, плазменное напыление, лазерная наплавка и др.) играют большую роль и в технологии восстановления изношенных деталей;
4) широкий диапазон уровней технологического воздействия. В зависимости от вида энергии, величины ее потока к времени действия реализуются различные процессы металлофизики, микрометаллургии, фазовых и структурных превращений в обрабатываемом материале. Если за исходное технологическое воздействие, например, на углеродистые стали, принять известные превращения аустенитно-мартенситного класса в твердой фазе, характерные для традиционных методов закалки, то при лазерной, электронно-лучевой или плазменной обработке затрагиваются механизмы тонкой структуры - высокая дисперсность кристаллитов, развитая блочность и повышенная плотность дислокаций. Эффект упрочнения при этом существенно выше и, кроме того, расширяется номенклатура упрочняемых материалов.
Следующей по уровню воздействия можно считать обработку с оплавлением поверхностного слоя и с последующей быстрой закалкой из жидкого состояния. Этот процесс имеет ряд специфических особенностей, связанных с образованием пересыщенных твердых растворов метастабильных фаз, мелкодисперсных структур с высо-кой плотностью упрочняющей фазы. При лазерной, плазменной и электоронно-лучевой обработке с оплавлением различных сталей и чугунов получены весьма высокие значения микротвердости. В режиме оплавления возможно упрочнение малоуглеродистых сталей и даже технического железа. Имеются данные об упрочнении цветных металлов и сплавов. В предельном случае при достаточной скорости охлаждения возможно получение аморфного поверхностного слоя, в котором практически отсутствуют сегрегационные эффекты, границы зерен, дислокаций, что обеспечивает высокие прочностные, антикоррозионные, магнитные свойства, Здесь заканчивается возможность модификации свойств поверхностного слоя за счет собственных внутренних ресурсов материала. И, наконец, более высокий уровень воздействия связан с внесением извне легирующих элементов и твердой, жидкой или газовой фазе. Примером может служить насыщение расплавленным потоком низкотемпературной плазмы поверхности малоуглеродистой стали хромом, марганцем и углеродом, приводящее к пятикратному повышению твердости при суммарном содержании легирующих элементов в слое менее 1%, что свидетельствует об экономическом преимуществе этой технологии. При взаимодействии потоков энергии с поверхностью в условиях контролируемой атмосферы реализуются процессы химико-термической обработки с образованием соединений на основе, например, углерода, азота, бора и др.
Особенностью поверхностного легирования при использовании ОКПЭ является интенсификация процессов конвективного переноса и стимулированной диффузии и зоне обработки, обусловленная большими градиентами параметров, высокими скоростями реакции, наличием приэлектродных или радиационных эффектов,-смещением термохимическою равновесия. Вследствие этого увеличивается глубина легируемого слоя, уровеньи равномерность концентрации легирующих элементов, а также возможность высокотемпературного синтеза соединений, которые нельзя получить обычными методами.
Таким образом, при ОКПЭ реализуются практически все известные виды теплофизических и физико-химических превращений в материалах. Это позволяет экономно, производительно и целенаправленно формировать свойства поверхности деталей, оптимальные с точки зрения условий эксплуатации последних.
Методы ОКПЭ применимы практически на всех стадиях и но всех видах машиностроительного производства (заготовительные операции, формообразование, сборка, модификация свойств поверхности деталей машин и инструмента). Широкое применение эти методы находят в восстановительной технологии и ремонтном производстве. Отдельное направление представляет собой использование направленных потоков энергии и физических полей в процессах контроля и измерений.
Рассмотрим некоторые основные технологические операции с применением ОКПЭ.
Разделительные операции. Могут быть представлены процессами резки, вырубки, удаления заусениц, фасонной вырезки и рубки, закругления острых кромок, раскроя в штампах с помощью лазерной и плазменной обработки. Применение ОКПЭ в данном случае стимулируется высокой производительностью процессов, снижением отходов материала и энергетических затрат, расхода инструмента, возможностью обработки материалов независимо от их физико-механических свойств.
Соединительные операции. Связаны с лазерной, электроннолучевой, плазменной сваркой. Преимуществами этих технологий являются локальность и прецизионность воздействия, отсутствие общего нагрева и, следовательно, термонапряжений, возможность соединения разнородных и трудносвариваемых материалов (керамика, алюминий, чугун).
Нанесение покрытий с особыми свойствами. Основано на использовании методов газоплазменного и плазменного напыления порошковых материалов на поверхность деталей. Существует группа технологий, использующих метод осаждения материала из газофазного или плазменного состояния. К этой же разновидности ОКПЭ следует отнести лазерную и плазменную наплавку, плакирование.
Формообразование. Включает такие операции, как плазменная строжка и плазменно- или лазерно-механическая обработка, получение объемных форм деталей напылением материала, сверление отверстий.
Модификация свойств поверхностного слоя. Включает весьма широкую номенклатуру технологических процессов, к которым можно отнести следующие: закалка в твердой фазе, закалка из жидкого состояния, легирование, термохимическая обработка, изменение микрорельефа поверхности. Перечисленные технологии позволяют целенаправленно изменять свойства тонкого относительного поверхностного слоя деталей машин и инструмента, что приводит к повышению их служебных характеристик - износостойкости, жаропрочности, коррозионной стойкости, контактной прочности и др. Измерения и контроль с применением лазерной техники. Одно из наиболее быстро развивающихся направлений связано с высокой производительностью и точностью измерений, возможностью автоматизации и создания адаптивных систем, построенных на принципе активной обратной связи и исключающих субъективные факторы при контроле и измерениях. В последнее время получают развитие гибридные технологии и комбинированные методы обработки, основанные на сочетании нескольких видов технологического воздействия на обрабатываемый материал. Примером может служить плазменное формообразование с одновременным упрочнением поверхности, электроимпульсная обработка в сочетании с пластическим деформированием и ряд других. При решении вопросов о выборе конкретных технологий ОКПЭ необходимо исходить из тщательного технико-экономического анализа с учетом существующих традиционных методов обработки. Это связано с достаточно высокой стоимостью и сложностью технологического оборудования ОКПЭ, а также с повышенными требованиями к технической культуре обслуживащего персонала и квалификации инженерных кадров.
Степень энергоемкости ОКПЭ, например, для упрочняющей обработки, в 3 - 5 раз ниже, чем при печной цементации, но в 2-3 раза выше, чем при закалке с индукционным нагревом. Однако этот показатель следует рассматривать не изолированно, а с учетом общей стоимости всего производства. Так, например, по отношению к простым, цилиндрическим изделиям стоимость лазерной закалки выше по сравнению с индукционной, а по отношению к деталям сложной геометрической формы - существенно ниже.
Принимая во внимание общую тенденцию роста номенклатуры изделий машиностроения, стремление к повышению производительности труда и сокращению трудовых ресурсов, наибольший эффект от применения технологий ОКПЭ достигается в случае их комплексного использования в составе автоматизированных гибких производственных систем.
Системы ОКПЭ, как и механообрабатывающие станки, целесообразно применять при решении определенной задачи, с тем, чтобы наилучшим образом использовать ее высокую производительность. В каждом случае следует выяснить, не требуется ли данную систему в зависимости от объема партии обрабатываемых деталей и годового выпуска встроить в автоматическую линию или производственную ячейку.
Уже имеющийся промышленный опыт свидетельствует о широких возможностях ОКПЭ в деле упрочнения деталей и инструмента, а также в области сварки и резки. При этом становится возможным, например, без потери заменять дорогостоящие объемнолегированные стали на простые углеродистые, а в ряде случаев улучшать -служебные характеристики изделий, повышая их надежность и долговечность. Все это способствует быстрому развитию и внедрению рассматриваемых технологий в металлоемких отраслях машиностроения. Так, например, на Московском автозаводе им. И.А.Лихачева разработали и внедряют процессы лазерного упрочнения головки блока и гильзы цилиндров, инструмента, деталей порошковой металлургии, а также лазерной прошивки отверстий газотопливной аппаратуры, резки шаблонов, сварки карданных валов. Электронно-лучевую технологию применяют для восстановления шестерен, сварки воздушных баллонов. Освоена технология упрочнения и восстановления большой номенклатуры деталей и инструмента методами плазменного напыления (например, корпуса водяного насоса, гильзы цилиндров и др.). Технология ОКПЭ на различных стадиях освоения внедряется практически на всех головных предприятиях отрасли.
Процессы ОКПЭ классифицируют по виду энергии, воздействующей на материал, и на основе использования ОКПЭ в конкретных технологических условиях (рис. 1).
В процессе электронно-лучевой обработки используется энергия заряженных частиц, ускоренных в электрическом поле. Значения ускоряющих напряжений зависят от характера технологических процессов. Наиболее широко электронно-лучевую обработку применяют при напылении, термообработке, сварке, размерной обработке и переплаве.
В основе плазменной обработки лежит тепловое воздействие электрического тока, проходящего в газовой среде. В зависимости от способа горения дуги между электродом и изделием" или двумя электродами различают плазменную дугу прямого или косвенного действия. Плазменную обработку применяют при сварке, резке, наплавке, напылении и плазменно-механической обработке изделий.
При лазерном методе обработки материалов используют энергию потока фотонов. Эффективность воздействия потока фотонов на облучаемую поверхность зависит во многом от длины волны лазерного излучения, которая, в свою очередь, связана с состоянием рабочего тела (твердое, газообразное). В настоящее время лазерная технология, самая молодая из рассматриваемых, находит все более широкое применение при обработке материалов - это упрочнение, наплавка, поверхностное легирование, аморфизация, сварка, резка и пробивка отверстий. Несомненно, что в ближайшее время круг применения ОКПЭ будет расширен.
Не нашли, что искали? Воспользуйтесь поиском по сайту:
©2015 - 2024 stydopedia.ru Все материалы защищены законодательством РФ.
|