Сделай Сам Свою Работу на 5

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.