ЭЛЕКТРОФИЗИЧЕСКИЕ (Что-то вроде лекций или метод), страница 5

Магнитострикционный эффект, кроме того, существенно зависит от температуры и при достижении точки Кюри полностью исчезает (у пермендюра, например, при 960°С, у всех остальных — даже при более низкой температуре). Все эти явления хорошо объясняются теорией доменов. Поскольку за один период изменения напряжения магнитное поле возникает дважды, постольку частота колебаний магнитопровода вдвое больше возбуждающей частоты.

Чтобы сделать частоту колебаний вибратора равной возбуждающей, применяют подмагничивание постоянным напряжением, большим, чем амплитуда переменного напряжения. Такой вибратор носит название поляризованного. Максимальная амплитуда колебаний поляризованного вибратора достигается выбором рабочей точки на наиболее крутом участке ABC (рис. 4.12, б) кривой ε_М = f(Н) магнитострикционной деформации. На кривой дано соотношение напряженности подмагничивания Н₀, амплитуды колебаний магнитного поля H_max— H_min и магнитострикционного удлинения ε_М.

Максимальная амплитуда колебаний магнитопровода будет при равенстве возбуждающей частоты магнитного поля и собственной частоты упругих колебаний сердечника или при кратных ей гармониках.

В случае резонанса Δl _max = (10^-5...10^-4)l. Амплитуду колебаний инструмента 7 (см. рис. 4.10, а) можно увеличить, если крепить инструмент не к самому сердечнику магнитостриктора 3, а через концентратор 8 (акустический трансформатор), коэффициент трансформации которого зависит от отношения площадей

N = d₀/d_и

где d₀ — диаметр у торца концентратора, мм; d_и — диаметр торца вибратора, несущего инструмент, мм.

Аналогично определяют коэффициент усиления, равный отношению амплитуды выходного торца к амплитуде на входе:

К= Δl_BЫX/Δl_BX.

В зависимости от характера изменения площади по длине акустического трансформатора он может быть ступенчатым, коническим, катеноидальным, экспоненциальным и т.д. Для небольших коэффициентов трансформации (2...3) все перечисленные формы трансформаторов дают примерно одинаковое усиление, однако при коэффициенте трансформации 8...10 наибольший коэффициент усиления будет у тех трансформаторов, форма которых ближе к экспоненциальной и которые также оказываются менее критичными при уходе резонансной частоты в случае изменения длины инструмента при его износе.

Для получения более высоких коэффициентов усиления применяют составные концентраторы, образуемые соединением стержней постоянного и переменного сечений (рис. 4.13).

Конструктивное оформление акустических узлов. Типовой акустический узел (основной элемент УЗ-станка) представлен на рис. 4.10, а. Элементы акустического узла — это магнитостриктор 3, получающий энергию от электрического генератора ультразвуковой частоты; концентратор-волновод 8, передающий механическую энергию инструменту 7, осуществляющему долбление; корпус 2маг-нитостриктора с охлаждающей водой, связывающий колебательную систему со станиной станка (последняя на рис. 4.10, а не показана). В колебательную систему входит также и нагрузка — обрабатываемая заготовка 6.

Обычно магнитострикционный вибратор представляет собой пакет из тонких (0,1 ...0,3 мм), изолированных друг от друга пластин магнитострикционного материала (никеля, альфера и т.д.). При использовании сплошных магнитопроводов (или собранных из трубок) возникают большие потери на вихревые токи.

Рис. 4.13. Составные концентраторы различных типов:

а — катеноидальный рупор, соединенный широкой частью с цилиндрической частью; б — то же, с узкой частью; в — экспоненциальный с узкой частью; г — то же, с широкой частью; д — конический, с широкой частью; е — то же, с узкой частью; ж — ступенчатый цилиндрический; з — ступенчатый с небольшим переходным стержнем для приваривания заготовки; /_ц , /_К1 , /₃ , /_к — соответственно длина цилиндрической, катеноидальной, экспоненциальной, конической части; /, — длина переходника

Концентратор с пакетом соединяют либо непосредственно (припаивая твердым припоем, например ПСр-40, ПСр-45), либо припаивая переходник с резьбой.

Инструменты для УЗ-обработки. В зависимости от назначения все инструменты для УЗ-обработки подразделяют на сплошные и пустотелые.

Сплошные инструменты используют для получения закрытых полостей, глухих отверстий или сквозных отверстий малого диаметра (1...3 мм).

Пустотелые инструменты применяют при сквозной вырубке деталей из массива, прошивке сквозных отверстий больших диаметров и т.д.

Промежуточной конструкцией между этими видами инструмента являются ножевые инструменты (для разрезки, разделки пластин на заготовки), обычно их выполняют многолезвийными.

Производительность УЗ-способа зависит от физических свойств материала обрабатываемой заготовки, вида и зернистости абразива, состава жидкой среды и концентрации суспензии, скорости циркуляции суспензий, силы подачи и амплитуды колебаний инструмента, глубины обработки и т.д.

Технологические характеристики УЗ-обработки. Точность и шероховатость обработанной поверхности на УЗ-станках в основном зависят от величины зерна в суспензии; с уменьшением диаметра зерна качество поверхности и точность повышаются. Применение абразивов с зернистостью М20, М10 позволяет получить точность до 0,01 мм при шероховатости Ra 0,16...0,08 мкм. Обычно достигаемые точность (при соответствующей квалификации рабочего) составляет 0,02...0,03 мм и шероховатость — Ra 0,63...0,032 (абразив — карбид бора № 3). Таким образом, точность обработки на УЗ-станках (0,01 ...0,015 мм) ниже, чем на электроискровых, где может быть достигнута точность 0,005 мм.

Следует отметить, что шероховатость боковых поверхностей в 4 раза выше, чем торцовых. Это связано с движением суспензии. Стенки отверстий получаются конусными; для зерен диаметром 120...150 мкм средняя конусность составляет З...3,5°, для зерен диаметром 40...50 мкм — 1...1,5°.

Точность обработки можно повысить, если после чистовой УЗ-обработки применять УЗ-доводку. Область применения УЗ-обработки охватывает главным образом операции раскроя, прошивки и формообразования изделий из хрупких нетокопроводящих материалов (стекла, керамики, ферритов и др.), хотя этот вид обработки можно применять и при изготовлении деталей из алмазов, твердых сплавов и т.д.

4.7. ЛУЧЕВЫЕ МЕТОДЫ РАЗМЕРНОЙ ОБРАБОТКИ

Высокая плотность энергии сфокусированного электронного луча (так же, как и светового луча ОКГ (оптического квантового генератора — лазера (слово «лазер» составлено из первых букв английской фразы «Light Amplication by Stimulated of Radiation»)) позволяет проводить размерную обработку за счет нагрева и испарения материала с узколокального участка. При этом обрабатываемость материалов не зависит от их механических характеристик. Поэтому магнитные материалы и керамика, легированные стали и ферриты, твердые сплавы и корунд обрабатываются одинаково успешно. Наиболее существенно влияют па обрабатываемость теплофизические характеристики.

Возможность точно дозировать энергию луча позволяет осуществлять широкий круг технологических процессов — от местной термообработки, зонной очистки и сварки до механической обработки.

Оба метода позволяют проводить такие операции, как разрезку материалов, получение фасонных поверхностей, обработку отверстий, затачивание инструментов, балансировку вращающихся деталей. Поскольку инструментом является сфокусированный луч, постольку вопрос об износе инструмента так же, как и об ошибках, связанных с этим износом, полностью снимается.

Размерная обработка электронным лучом (РОЭЛ). При обработке электронным лучом расплавление и испарение материала происходят за счет повышения его температуры при резком торможении потока электронов в месте встречи с обрабатываемой поверхностью.

Чтобы получить мощный поток электронов, электронный пучок, излучаемый вольфрамовым катодом в электронной пушке (рис. 4.14), ускоряют напряжением, приложенным между катодом и анодом, юстируют и фокусируют при помощи системы магнитных линз. Стигматор придает лучу круглую форму, а перемещает луч по поверхности изделий отклоняющая система. Кроме того, изделие, закрепленное на координатном столике, само может перемещаться относительно луча. Все устройство находится в вакуумной камере. Энергия луча (в электрон-вольтах) пропорциональна заряду электронов, их количеству и величине ускоряющего напряжения.

Однако локальная точечная обработка материала непрерывным потоком электронов невозможна, поскольку для быстрого испарения материала требуется нагрев до температуры, превышающей его температуру плавления, и поэтому непрерывное облучение области обработки приводит к ее перегреву и к возникновению широкой зоны оплавления.

Рис. 4.14. Схема установки для электронно-лучевой обработки

При размерной обработке заготовок электронная пушка работает в импульсном режиме, что обеспечивает локальный нагрев заготовки. Требуемое распределение температур достигается чередованием мощных импульсов и пауз (во время которых происходит отвод теплоты); таким образом, средняя температура зоны обработки остается ниже точки плавления. Аналогичного эффекта достигают при быстром перемещении луча по обрабатываемой поверхности.

Энергетические характеристики электронного луча существенно зависят от его фокусировки, например, импульс мощностью 1 кВт на поверхности диаметром 0,02 мм создает мгновенную плотность энергии 5-10⁶ МВт/м² при длительности 3...4 мс.

Достоинство этого метода — возможность регулировать энергетические характеристики луча в широких пределах, а также легкость управления лучом при помощи отклоняющей системы.

Метод РОЭЛ перспективен при обработке отверстий диаметром 10... 10³ мкм, прорезании пазов, резке заготовок, изготовлении тонких пленок и сеток из фольги. Обрабатывают заготовки из труднообрабатываемых металлов и сплавов, а также из неметаллических материалов: рубина, керамики, кварца, полупроводниковых материалов. Вакуумные среды позволяют обрабатывать заготовки из легкоокисляющихся активных материалов.

С помощью электронного луча можно наносить покрытия на поверхности заготовок в виде пленок толщиной от нескольких микрометров до десятых долей миллиметра.

Размерная обработка световым лучом (РОСЛ). Световой луч для технологических целей создается лазером — установкой, обеспечивающей усиление светового потока путем возбуждения эмиссии излучения.

Усилители излучения подразделяют на лазеры и мазеры. Первые работают в видимой части электромагнитного спектра (свет), а вторые — в области инфракрасного (И К) излучения или радиочастот. По агрегатному состоянию усилители подразделяют на твердые с пульсирующим или с непрерывным излучением и газовые с непрерывным излучением, применяют также полупроводниковые лазеры. Принцип действия лазера заключается в следующем. Атомы вещества могут обладать определенной энергией и удерживаться на определенных (стационарных) энергетических уровнях. Наиболее устойчивое состояние соответствует минимальной энергии. Если атому сообщить энергию извне, он перейдет на более высокую энергетическую ступень, т.е. будет возбужден. Такое состояние атома неустойчиво, и если подвод энергии извне прекращается, атом возвращается в исходное состояние с эмиссией (испусканием) определенного кванта (фотона) электромагнитной энергии. Такая эмиссия называется спонтанной (самопроизвольной) и наблюдается, например, при флюоресценции, когда в результате возбуждения атомов вещества фотонами эти атомы, возвращаясь в исходное состояние, беспорядочно излучают световые фотоны. Усиление излучения в лазерах достигают за счет так называемой индуктированной (вынужденной) эмиссии.

Достоинства РОСЛ заключаются в следующем: для обработки не требуется создания вакуума, при котором значительно труднее управлять технологическим процессом; нет рентгеновского излучения, сопутствующего обработке лучом электронной пушки; лазерные установки конструктивно проще электронных пушек; в некоторых случаях механическая обработка может осуществляться за прозрачной преградой (например, в запаянной колбе).

Главный недостаток обработки световым лучом — это отсутствие надежных методов управления движением луча по обрабатываемой поверхности, поэтому при обработке перемещается сама заготовка. Из всех известных типов ОКГ (твердотельных, газовых и полупроводниковых) в технологии пока нашли применение лишь твердотельные лазеры на кристалле рубина (окиси алюминия, активированной 0,05 % хрома), дающего выходную энергию излучения до 20...40 Дж, или на стеклянных стержнях, активированных неодимом (выходная энергия достигает 100... 120 Дж).

Принцип работы ОКГ, используемого для технологических целей, можно показать на примере такого твердотельного лазера (рис. 4.15).