Новые технологии обработки металла. Основные виды обработки металлов
Обработку металла в современной промышленности принято различать по видам и методам. Наибольшее число видов обработки имеет самый "древний", механический метод: точение, сверление, растачивание, фрезерование, шлифование, полирование и т. д. Недостаток механической обработки - большие отходы металла в стружку, опилки, угар. Более экономный метод - штамповка, применяемая в меру развития производства стального листа. По за последние десятилетия появились новые методы, расширившие возможности металлообработки,- электрофизические и электрохимические.
В предыдущих статьях вы познакомились со штамповкой и резанием металлов. А теперь мы расскажем вам об электрофизических методах (электроэрозионном, ультразвуковом, световом, электроннолучевом) и электрохимических.
Электроэрозионная обработка
Все знают, какое разрушительное действие может произвести атмосферный электрический разряд -молния. Но не каждому известно, что уменьшенные до малых размеров электрические разряды с успехом используются в промышленности. Они помогают создавать из металлических заготовок сложнейшие детали машин и аппаратов.
На многих заводах сейчас работают станки, у которых инструментом служит мягкая латунная проволочка. Эта проволочка легко проникает в толщу заготовок из самых твердых металлов и сплавов, вырезая детали любой, порой прямо-таки причудливой формы. Как же это достигается? Присмотримся к работающему станку. В том месте, где инструмент-проволочка ближе всего расположен к заготовке, мы увидим светящиеся искорки-молнии, которые ударяют в заготовку.
Температура в месте воздействия этих электрических разрядов достигает 5000-10000° С. Ни один из известных металлов и сплавов не может противостоять таким температурам: они мгновенно плавятся и испаряются. Электрические заряды как бы "разъедают" металл. Поэтому и сам способ обработки получил название электроэрозионного (от латинского слова "эрозия" - "разъедание").
Каждый из возникающих разрядов удаляет маленькую частичку металла, и инструмент постепенно погружается в заготовку, копируя в ней свою форму.
Разряды между заготовкой и инструментом в электроэрозионных станках следуют один за другим с частотой от 50 до сотен тысяч в секунду в зависимости от того, какую скорость обработки и чистоту поверхности мы хотим получить. Уменьшая мощность разрядов и увеличивая частоту их следования, металл удаляют все меньшими частицами; при этом повышается чистота обработки, но уменьшается ее скорость. Действие каждого из разрядов должно быть кратковременным, чтобы испаряющийся металл сразу же охлаждался и не мог соединиться вновь с металлом заготовки.
Схема работы электроэрозионного станка для контурного вырезания отверстий сложных профилей. Нужную работу здесь производит электрический разряд, возникающий между инструментом - латунной проволокой и деталью.
При электроэрозионной обработке заготовку детали и инструмент из тугоплавкого или хорошо проводящего тепло материала присоединяют к источнику электрического тока. Чтобы действие разрядов тока было кратковременным, их периодически прерывают либо отключением напряжения, либо быстрым перемещением инструмента относительно поверхности обрабатываемой заготовки. Необходимое охлаждение выплавляемого и испаряемого металла, а также его удаление из рабочей зоны достигаются погружением обрабатываемой заготовки в токоне-проводящую жидкость - обычно машинное масло, керосин. Отсутствие токопроводимости у жидкости способствует тому, что разряд действует между инструментом и обрабатываемой заготовкой при очень малых расстояниях (10-150 мкм), т. е. только в том месте, к которому подведен инструмент и которое мы хотим подвергнуть действию тока.
Электроэрозионный станок обычно имеет устройства для перемещения инструмента в нужном направлении и источник электрического питания, возбуждающий разряды. В станке, имеется также система автоматического слежения за размером промежутка между обрабатываемой заготовкой и инструментом; она сближает инструмент с заготовкой, если этот промежуток чрезмерно велик, или отводит его от заготовки, если он слишком мал.
Как правило, электроэрозионный способ применяют в тех случаях, когда обработка на металлорежущих станках затруднена или невозможна. из-за твердости материала или когда сложная форма обрабатываемой детали не позволяет создать достаточно прочный режущий инструмент.
В качестве инструмента может использоваться не только проволочка, но и стержень, диск и др. Так, используя инструмент в виде стержня сложной объемной формы, получают как бы оттиск его в обрабатываемой заготовке. Вращающимся диском прожигают узкие щели и режут прочные металлы.
Электроэрозионный станок.
Существует несколько разновидностей электроэрозионного метода, каждая из которых обладает своими свойствами. Одни разновидности этого метода применяются для прожигания сложнофасонных полостей и вырезания отверстий, другие - для разрезания заготовок из жаропрочных и титановых сплавов и т. д. Перечислим некоторые из них.
При электроискровой обработке электрическим способом возбуждаются кратковременные искровые и искро-дуговые разряды температурой до 8000-10 000° С. Электрод-инструмент подключается к отрицательному, а обрабатываемая заготовка - к положительному полюсу источника электрического питания.
Электроимпульсную обработку производят электрические возбуждаемые и прерываемые дуговые разряды температурой до 5000° С. Полярность электрода-инструмента и обрабатываемой детали обратная по отношению к электроискровой обработке.
При анодно-механической обработке употребляют электрод-инструмент в виде диска или бесконечной ленты, который быстро перемещается относительно заготовки. При этом методе используют специальную жидкость, из которой на поверхность заготовки выпадает токонепроводящая пленка. Электрод-инструмент процарапывает пленку, и в местах, где на заготовке обнажилась поверхность, возникают разрушающие ее дуговые разряды. Они и производят нужную работу.
Еще более быстрое перемещение электрода, охлаждающее его поверхность и прерывающее дуговые разряды, применено при электроконтактной обработке, осуществляемой обычно в воздухе или в воде.
В нашей стране выпускают целый набор электроэрозионных станков для обработки самых различных деталей, начиная с очень маленьких и кончая крупными, массой до нескольких тонн.
Электроэрозионные станки работают сейчас во всех отраслях машиностроения. Так, на автомобильных и тракторных заводах их используют при изготовлении штампов коленчатых валов, шатунов и других деталей, на авиазаводах обрабатывают на электроэрозионных станках лопатки турбореактивных двигателей и детали гидроаппаратуры, на заводах электронных приборов - детали радиоламп и транзисторов, магниты и пресс-формы, на металлургических комбинатах разрезают прутки проката и слитки из особо твердых металлов и сплавов.
Работает ультразвук
Еще сравнительно недавно никто не мог и предположить, что звуком станут измерять глубину моря, сваривать металл, сверлить стекло и дубить кожи. А сейчас звук осваивает все новые и новые профессии.
Что же такое звук и благодаря чему он стал незаменимым помощником человека в ряде важнейших производственных процессов?
Звук - это упругие волны, распространяющиеся в виде чередующихся сжатий и разрежений частичек среды (воздуха, воды, твердых тел и т. д.). Измеряется частота звука количеством сжатий и разрежений: каждое сжатие и последующее разрежение образуют одно полное колебание. За единицу частоты звука принято полное колебание, которое совершается в 1 с. Эта единица называется герцем (Гц).
Звуковая волна несет с собой энергию, которая определяется как сила звука и за единицу которой принят 1 Вт/см 2 .
Человек воспринимает колебания различной частоты как звуки разной высоты. Низким звукам (бой барабана) соответствуют низкие частоты (100-200 Гц), высоким (свисток) - большие частоты (около 5 кГц, или 5000 Гц). Звуки ниже 30 Гц называются инфразвуками, а выше 15-20 кГц - ультразвуками. Ультразвуки и инфразвуки человеческое ухо не воспринимает.
Ухо человека приспособлено к восприятию звуковых волн очень малой силы. Например, раздражающий нас громкий крик имеет интенсивность, измеряемую нановаттами на квадратный сантиметр (нВт/см 2), т. е. миллиардными долями Вт/см 2 . Если превратить в тепло энергию от громкого одновременного разговора всех жителей Москвы в течение суток, то ее окажется недостаточно даже для того, чтобы вскипятить ведро воды. Такие слабые звуковые волны нельзя использовать для выполнения каких-либо производственных процессов. Конечно, искусственным путем можно создать звуковые волны во много раз более сильные, но они разрушат орган слуха человека, приведут к глухоте.
В области инфразвуковых частот, которые не опасны для уха человека, создать мощные колебания искусственным способом очень сложно. Иное дело -ультразвук. Сравнительно просто можно получить от искусственных источников ультразвук интенсивностью в несколько сотен Вт/см 2 , т. е. в 10 12 раз больше допустимой интенсивности звука, и этот ультразвук совершенно безвреден для человека. Поэтому, если говорить точнее, не звук, а ультразвук оказался тем мастером-универсалом, который нашел такое широкое применение в промышленности (см. т. 3 ДЭ, ст. "Звук").
Здесь мы расскажем только об использовании ультразвуковых колебаний в станках для обработки хрупких и твердых материалов. Как же устроены и работают такие станки?
Ультразвуковой станок.
Схема процесса ультразвуковой обработки.
Сердцем станка является преобразователь энергии высокочастотных колебаний электрического тока. Ток поступает на обмотку преобразователя от электронного генератора и превращается в энергию механических (ультразвуковых) колебаний той же частоты. Эти превращения происходят в результате магнитострикции - явления, которое заключается в том, что ряд материалов (никель, сплав железа с кобальтом и др.) в переменном магнитном поле изменяют свои линейные размеры с той же частотой, с которой изменяется поле.
Таким образом, высокочастотный электрический ток, проходя по обмотке, создает переменное магнитное поле, под воздействием которого колеблется преобразователь. Но получаемые амплитуды колебаний малы по размеру. Чтобы их увеличить и сделать пригодными для полезной работы, во-первых, настраивают всю систему в резонанс (добиваются равенства частоты колебаний электрического тока и собственной частоты колебаний преобразователя), а во-вторых, к преобразователю крепят специальный концентратор-волновод, который малые амплитуды колебаний на большей площади превращает в большие амплитуды на меньшей площади.
К торцу волновода присоединяют инструмент такой формы, какой хотят иметь отверстие. Инструмент вместе со всей колебательной системой прижимают с небольшим усилием к материалу, в котором надо получить отверстие, а к месту обработки подводят абразивную суспензию (зерна абразива меньше 100 мкм, смешанные с водой). Эти зерна попадают между инструментом и материалом, и инструмент, как отбойный молоток, вбивает их в материал. Если материал хрупкий, то зерна абразива откалывают от него микрочастицы размером 1-10 мкм. Казалось бы, немного! Но частиц абразива под инструментом сотни, и инструмент наносит 20 000 ударов в 1 с. Поэтому процесс обработки проходит достаточно быстро, и отверстие размером 20-30 мм в стекле толщиной 10-15 мм можно сделать за 1 мин. Ультразвуковой станок позволяет делать отверстия любой формы, причем даже в хрупких материалах, которые трудно обрабатывать.
Ультразвуковые станки широко применяются для изготовления твердосплавных матриц штампов, ячеек "памяти" вычислительных машин из феррита, кристаллов кремния и германия к полупроводниковым приборам и т. д.
Сейчас речь шла только об одном из многих случаев применения ультразвука. Однако он используется также для сварки, мойки, очистки, контроля, измерений и отлично выполняет эти свои обязанности. Ультразвук очень чисто "моет" и обезжиривает сложнейшие детали приборов, производит пайку и лужение алюминия и керамики, находит дефекты в металлических деталях, измеряет толщину деталей, определяет скорость течения жидкостей в разных системах и производит еще десятки других работ, которые без него не могут быть выполнены.
Электрохимическая обработка металлов
Если в сосуд с токопроводящей жидкостью ввести твердые проводящие пластинки (электроды) и подать на них напряжение, возникает электрический ток. Такие токопроводящие жидкости называются проводниками второго рода или электролитами. К их числу относятся растворы солей, кислот или щелочей в воде (или в других жидкостях), а также расплавы солей.
Электрохимический копировально-прошивочный станок.
Схема электролиза.
Схема электрохимической обработки отверстий сложных конфигураций в деталях.
Носителями тока в электролитах служат положительные и отрицательные частицы - ионы, на которые расщепляются в растворе молекулы растворенного вещества. При этом положительно заряженные ионы движутся к отрицательному электроду - катоду, отрицательные - к положительному электроду - аноду. В зависимости от химической природы электролита и электродов эти ионы либо выделяются на электродах, либо вступают в реакцию с электродами или растворителем. Продукты реакций либо выделяются на электродах, либо переходят в раствор. Это явление получило название электролиза.
Электролиз широко применяется в промышленности для изготовления металлических слепков с рельефных моделей, для нанесения защитных и декоративных покрытий на металлические изделия, для получения из расплавленных руд металлов, для очистки металлов, для получения тяжелой воды, в производстве хлора и др.
Одна из новых областей промышленного применения электролиза - электрохимическая размерная обработка металлов. Она основана на принципе растворения металла под действием тока в водных растворах солей.
Светолучевой станок для обработки алмазных фильтр.
Схема оптического квантового генератора: 1 - импульсная лампа; 2 - конденсатор; 3 - рубин; 4 - параллельные зеркала; 5 - линза.
При электрохимической размерной обработке электроды располагают в электролите на очень близком расстоянии друг от друга (50-500 мкм). Между ними под давлением прокачивают электролит. Благодаря этому металл растворяется чрезвычайно быстро, и если поддерживать постоянным расстояние между электродами, то на заготовке (аноде) можно получить достаточно точное отображение формы электрода-инструмента (катода).
Таким образом, с помощью электролиза можно сравнительно быстро (быстрее, чем механическим методом) изготавливать детали сложной формы, разрезать заготовки, делать в деталях отверстия или пазы любой формы, затачивать инструмент и т. д.
К преимуществам электрохимического метода обработки следует отнести, во-первых, возможность обрабатывать любые металлы, независимо от их механических свойств, во-вторых, то, что электрод-инструмент (катод) в процессе обработки не изнашивается.
Электрохимическая обработка производится на электрохимических станках. Их основные группы: универсальные копировально-прошивочные - для изготовления штампов, пресс-форм и других изделий сложной формы; специальные - для обработки лопаток турбин; заточные и шлифовальные - для заточки инструмента и плоского или профильного шлифования труднообрабатываемых металлов и сплавов.
Свет работает (лазер)
Вспомните "Гиперболоид инженера Гарина" А. Н. Толстого. Идеи, еще недавно считавшиеся фантастическими, становятся реальностью. Сегодня световым лучом прожигают отверстия в таких прочных и твердых материалах, как сталь, вольфрам, алмаз, и это уже никого не удивляет.
Всем вам приходилось, конечно, ловить солнечные зайчики или фокусировать линзой солнечный свет в маленькое яркое пятно и выжигать им разные рисунки на дереве. А вот на стальном предмете вы не сможете таким образом оставить какой-либо след. Конечно, если бы удалось сконцентрировать солнечный свет в очень маленькую точку, скажем, в неокольцо микрометров, то тогда удельная мощность (т. е. отношение мощности к площади) была бы достаточной, чтобы расплавить и даже испарить в этой точке любой материал. Но солнечный свет невозможно так сфокусировать.
Чтобы с помощью линзы сфокусировать свет в очень малое пятно и получить при этом большую удельную мощность, он должен обладать минимум тремя свойствами: быть монохроматическим, т. е. одноцветным, распространяться параллельно (иметь малую расходимость светового потока) и быть достаточно ярким.
Линза фокусирует лучи различного цвета на разном расстоянии. Так, лучи синего цвета собираются в фокус дальше, чем красного. Так как солнечный свет состоит из лучей различного цвета, от ультрафиолетового до инфракрасного, то и точно сфокусировать его не удается - фокусное пятно получается размытым, относительно большим. Очевидно, что монохроматический свет дает значительно меньшее по площади фокусное пятно.
Газовый лазер, применяемый для резки стекла, тонких пленок и тканей. В ближайшем будущем такие установки будут применяться для раскроя металлических заготовок значительной толщины.
Из геометрической оптики известно, что диаметр пятна света в фокусе тем меньше, чем меньше расходимость светового луча, падающего на линзу. Поэтому-то для поставленной нами цели необходимы параллельные лучи света.
И наконец, яркость нужна для того, чтобы создать в фокусе линзы большую удельную мощность.
Ни один из обычных источников света не обладает этими тремя свойствами одновременно. Источники монохроматического света маломощны, а мощные источники света, такие, как, например, электрическая дуга, имеют большую расходимость.
Однако в 1960 г. советские ученые - физики лауреаты Ленинской и Нобелевской премий Н. Г. Басов и А. М. Прохоров одновременно с лауреатом Нобелевской премии американским физиком Ч. Таунсом создали источник света, обладающий всеми необходимыми свойствами. Его назвали лазер, сокращенно от первых букв английского определения принципа его работы: light amplification by stimulated emission of radiation, т. е. усиление света с помощью стимулированного излучения. Другое название лазера - оптический квантовый генератор (сокращенно ОКГ).
Известно, Что всякое вещество состоит из атомов, а сам атом состоит из ядра, окруженного электронами. В обычном состоянии, которое называется основным, электроны так расположены вокруг ядра, что их энергия минимальна. Чтобы вывести электроны из основного состояния, необходимо сообщить им извне энергию, например осветить. Поглощение электронами энергии происходит не непрерывно, а отдельными порциями - квантами (см. т. 3 ДЭ, ст. "Волны и кванты"). Поглотившие энергию электроны переходят в возбужденное состояние, которое является неустойчивым. Через некоторое время они вновь возвращаются в основное состояние, отдавая поглощенную энергию. Этот процесс происходит не одномоментно. При этом оказалось, что возврат одного электрона в основное состояние и выделение- им при этом кванта света ускоряет (стимулирует) возврат в основное состояние других электронов, которые также выделяют кванты, и притом точно такие же по частоте и длине волны. Таким образом, мы получаем усиленный монохроматический луч.
Принцип работы светолучевого станка рассмотрим на примере ОКГ из искусственного рубина. Этот рубин получен синтетическим путем из окиси алюминия, в которой небольшое число атомов алюминия замещено атомами хрома.
В качестве внешнего источника энергии применяется импульсная лампа 1, подобная той, что используют для вспышки при фотографировании, но значительно более мощная. Источником питания лампы служит конденсатор 2. При излучении лампы атомы хрома, находящиеся в рубине 3, поглощают кванты света с длинами волн, которые соответствуют зеленой и синей частям видимого спектра, и переходят в возбужденное состояние. Лавинообразный возврат в основное состояние достигается с помощью-параллельных зеркал 4. Выделившиеся кванты света, соответствующие красной части спектра, многократно отражаются в зеркалах и, проходя через рубин, ускоряют возврат всех возбужденных электронов в основное состояние. Одно из зеркал делается полупрозрачным, и через него луч выводится наружу. Этот луч имеет очень малый угол расхождения, так как состоит из квантов света, многократно отраженных и не испытавших существенного отклонения от оси квантового генератора (см. рис. на стр. 267).
Такой мощный монохроматический луч с малой степенью расходимости фокусируется линзой 5 на обрабатываемую поверхность и дает чрезвычайно маленькое пятно (диаметром до 5-10 мкм). Благодаря этому достигается колоссальная удельная мощность, порядка 10 12 -10 16 Вт/см 2 . Это в сотни миллионов раз превышает мощность, которую можно получить при фокусировании солнечного света.
Такой удельной мощности достаточно, чтобы в зоне фокусного пятна в тысячные доли секунды испарить даже такой тугоплавкий металл, как вольфрам, и прожечь в нем отверстие.
Сейчас светолучевые станки широко применяются в промышленности для получения отверстий в часовых камнях из рубина, алмазах и твердых сплавах, в диафрагмах из тугоплавких труднообрабатываемых металлов. Новые станки позволили в десятки раз повысить производительность, улучшить условия труда и в ряде случаев изготавливать такие детали,. которые другими методами получить невозможно.
Лазер не только производит размерную обработку микроотверстий. Уже созданы и успешно работают светолучевые установки для резания изделий из стекла, для микросварки миниатюрных деталей и полупроводниковых приборов и др.
Лазерная технология, в сущности, только появилась и на наших глазах становится самостоятельной отраслью техники. Можно не сомневаться, что с помощью человека лазер в ближайшие годы "освоит" десятки новых полезных профессий и станет трудиться в цехах заводов, лабораториях и на стройках наравне с резцом и сверлом, электрическими дугой и разрядом, ультразвуком и электронным лучом.
Электроннолучевая обработка
Задумаемся над проблемой: каким образом крохотный участок поверхности - квадратик со стороной 10 мм - из весьма твердого материала разрезать на 1500 частей? С такой задачей повседневно встречаются те, кто занят изготовлением полупроводниковых приборов - микродиодов.
Эта задача может быть решена с помощью электронного луча - ускоренных до больших энергий и сфокусированных в остронаправленный поток электронов.
Обработка материалов (сварка, резание и т. п.) пучком электронов совсем новая область техники. Она родилась в 50-х годах нашего века. Возникновение новых методов обработки, разумеется, не случайно. В современной технике приходится иметь дело с очень твердыми, труднообрабатываемыми материалами. В электронной технике, например, применяются пластинки из чистого вольфрама, в которых необходимо просверлить сотни микроскопических отверстий диаметром в несколько десятков микрометров. Искусственные волокна изготовляют с помощью фильер, которые имеют отверстия сложного профиля и столь малые, что волокна, протягиваемые через них, получаются значительно тоньше человеческого волоса. Электронной промышленности нужны керамические пластинки толщиной 0,25 мм. На них должны быть сделаны прорези шириной 0,13 мм, при расстоянии между их осями 0,25 мм.
Старой технологии обработки такие задачи не по плечу. Поэтому ученые и инженеры обратились к электронам и заставили их выполнять технологические операции резания, сверления, фрезерования, сварки, выплавки и очистки металлов. Оказалось, что электронный луч обладает заманчивыми для технологии свойствами. Попадая на обрабатываемый материал, он в месте воздействия способен нагреть его до 6000° С (температура поверхности Солнца) и почти мгновенно испарить, образовав в материале отверстие или углубление. В то же время современная техника позволяет довольно легко, просто и в широких пределах регулировать энергию электронов, а следовательно, и температуру нагрева металла. Поэтому поток электронов может быть использован для процессов, которые требуют различных мощностей и протекают при самых разных температурах, например для плавки и очистки, для сварки и резания металлов и т. п.
Электронный луч способен прорезать даже в самом твердом металле тончайшее отверстие. На рисунке: схема электронной пушки.
Чрезвычайно ценно также, что действие электронного луча не сопровождается ударными нагрузками на изделие. Особенно это важно при обработке хрупких материалов, таких, как стекло, кварц. Скорость обработки на электроннолучевых установках микроотверстий и очень узких щелей существенно выше, чем на обычных станках.
Установки для обработки электронным лучом -это сложные устройства, основанные на достижениях современной электроники, электротехники и автоматики. Основная их часть - электронная пушка, генерирующая пучок электронов. Электроны, вылетающие с подогретого катода, остро фокусируются и ускоряются специальными электростатическими и магнитными устройствами. Благодаря им электронный луч может быть сфокусирован на площадке диаметром менее 1 мкм. Точная фокусировка позволяет достигать и огромной концентрации энергии электронов, благодаря чему можно получить поверхностную плотность излучения порядка 15 МВт/мм 2 . Обработка ведется в высоком вакууме (остаточное давление примерно равно 7 МПа). Это необходимо, чтобы создать для электронов условия свободного, без помех, пробега от катода до заготовки. Поэтому установка снабжена вакуумной камерой и вакуумной системой.
Обрабатываемое изделие устанавливают на столе, который может двигаться ло-горизонтали и вертикали. Луч благодаря специальному отклоняющему устройству также может перемещаться на небольшие расстояния (3-5 мм). Когда отклоняющее устройство отключено и стол неподвижен, электронный луч может просверлить в изделии отверстие диаметром 5-10 мкм. Если включить отклоняющее устройство (оставив стол неподвижным), то луч, перемещаясь, будет действовать как фреза и сможет прожигать небольшие пазы различной конфигурации. Когда же нужно "отфрезеровать" более длинные пазы, то перемещают стол, оставляя луч неподвижным.
Интересна обработка материалов электронным лучом с помощью так называемых масок. В установке на подвижном столике располагаю* маску. Тень от нее в уменьшенном масштабе проектируется формирующей линзой на деталь, и электронный луч обрабатывает поверхность, ограниченную контурами маски.
Контролируют ход электронной обработки обычно с помощью оптического микроскопа. Он позволяет точно установить луч до начала обработки, например резания по заданному контуру и наблюдать за процессом. Электроннолучевые установки часто оснащаются программирующим устройством, которое автоматически задает темп и последовательность операций.
Обработка токами высокой частоты
Если тигель с помещенным в нем куском металла обмотать несколькими витками провода и пустить по этому проводу (индуктору) переменный ток высокой частоты, то металл в тигле начнет нагреваться и через некоторое время расплавится. Такова принципиальная схема применения токов высокой частоты (ТВЧ) для нагрева. Но что при этом происходит?
Например, разогреваемое вещество - проводник. Переменное магнитное поле, которое появляется при прохождении переменного тока по виткам индуктора, заставляет электроны свободно двигаться, т. е. порождает вихревые индукционные токи. Они и разогревают кусок металла. Диэлектрик же разогревается за счет того, что магнитное поле колеблет в нем ионы и молекулы, "раскачивает" их. А ведь вы знаете, что чем быстрее движутся частицы вещества, тем выше его температура.
Принципиальная схема действия установки для нагрева изделий токами высокой частоты.
Для высокочастотного нагрева сейчас наиболее широко применяются токи с частотой от 1500 Гц до 3 ГГц и выше. При этом нагревательные установки, использующие ТВЧ, нередко имеют мощность в сотни и тысячи киловатт. Их конструкция зависит от размеров и формы нагреваемых объектов, от их электрического сопротивления, от того, какой нагрев требуется - сплошной или частичный, глубокий или поверхностный, и от других факторов.
Чем больше размеры нагреваемого объекта и чем выше электрическая проводимость материала, тем более низкие частоты можно применять для нагрева. И наоборот, чем меньше электрическая проводимость, чем меньше габариты нагреваемых деталей, тем более высокие частоты необходимы.
Какие же технологические операции в современной промышленности осуществляются с помощью ТВЧ?
Прежде всего, как мы уже говорили, плавка. Высокочастотные плавильные печи сейчас работают на многих предприятиях. В них выплавляют высококачественные сорта стали, магнитные и жаростойкие сплавы. Часто плавка производится в разреженном пространстве - в глубоком вакууме. При вакуумной плавке получаются металлы и сплавы наивысшей чистоты.
Вторая важнейшая "профессия" ТВЧ - закаливание металла (см. ст. "Защита металла").
Многие важные детали автомобилей, тракторов, металлорежущих станков и других машин и механизмов теперь закаливаются токами высокой частоты.
Нагрев ТВЧ позволяет получить высококачественную скоростную пайку различными припоями.
ТВЧ нагревают стальные заготовки для обработки их давлением (для штамповки, ковки, накатки). При нагреве ТВЧ не образуется окалины. Это экономит металл, увеличивает срок службы штампов, улучшает качество поковок. Облегчается и оздоровляется труд рабочих.
До сих пор мы говорили о ТВЧ в связи с обработкой металлов. Но этим не ограничивается круг их " деятельности ".
Очень широко применяются ТВЧ и для обработки таких важных материалов, как пластмассы. На заводах пластмассовых изделий в установках ТВЧ нагревают заготовки перед прессованием. Хорошо помогает нагрев ТВЧ при склеивании. Многослойные небьющиеся стекла с пластмассовыми прокладками между слоями стекла изготавливают при нагреве ТВЧ в прессах. Так же, кстати, нагревают древесину при изготовлении древесностружечных плит, некоторые сорта фанеры и фасонные изделия из нее. А для сварки швов в изделиях из тонких листов пластмасс применяют специальные машины ТВЧ, напоминающие швейные. Этим способом изготавливают чехлы, футляры, коробки, трубы.
Последние годы все шире применяется нагрев ТВЧ в стекольном производстве - для сварки различных стеклянных изделий (труб, пустотелых блоков) и при варке стекла.
Нагрев ТВЧ имеет большие преимущества перед другими методами нагрева еще и потому, что в ряде случаев основанный на нем технологический процесс лучше поддается автоматизации.
Обработка металла берет начало в доисторический период, когда древние люди научились отливать из меди орудья труда и наконечники стрел. Так началась эпоха металла, ископаемого которое и по сей день остается актуальным. Сегодня новые технологии обработки металла позволяют создавать различные сплавы, изменять технологические свойства, получать сложные формы и конструкции.
В наши дни самым востребованным материалом является железо. На его основе отливают множество сплавов с различным содержанием углерода и легирующих добавок. Кроме стали, в промышленности широко применяют цветные металлы, которые также используются в широком разнообразии сплавов. Каждый сплав характеризуется не только эксплуатационными свойствами, но и технологическими, что и определяет способ его обработки:
- литье;
- термическая обработка;
- механическая обработка резанием;
- холодная или горячая деформация;
- сваривание.
Литье – это самый первый способ, который стал применять человек. Первой была медь, а выплавлять железо из руды в сыродутной печи начали в XII веке до н. э. Современные технологии позволяют получать различные сплавы, рафинировать и раскислять металл. Например, раскисление меди фосфором делает ее более пластичной, а переплавка в инертной среде повышает электропроводимость.
Последними достижениями в металлургии стали появление новых сплавов. Разработаны новые, более качественные марки нержавеющей высоколегированной стали аустенитного и ферритного класса. Появились более долговечные и устойчивые к коррозии жаростойкие, жаропрочные, кислотостойкие и пищевые стали AISI 300-ой и 400-ой серии. Некоторые сплавы были усовершенствованны и в их состав в качестве стабилизатора введен титан.
В цветной металлургии также были получены сплавы с оптимальными характеристиками для той или иной отрасли. Вторичный алюминий общего назначения 1105, алюминий высокой чистоты А0 для пищевой промышленности, авиалиний, среди которого наиболее востребованы в авиационной промышленности марки АВ, АД31 и АД 35, устойчивый к морской воде корабельный алюминий 1561 и АМг5, свариваемые алюминиевые сплавы легированные магнием или марганцем, жаропрочные алюминии, такие как АК4. Широкий спектр сплавов на основе меди – бронза и латунь также отличаются характерными особенностями и удовлетворяют все потребности народного хозяйства.
Формирование технологических характеристик сплава
На современном рынке металлопроката представлены различные полуфабрикатные изделия из различных сплавов стали и цветмета. При этом одна и та же марка может предлагаться в различном технологическом состоянии.
Термическая обработка
Посредством термической обработки сплав может доводиться до максимально жесткого и прочного состояния или наоборот до более пластичного. Твердое состояние «Т» ‒ термически закаленный, достигается нагревом до определенной температуры и последующим резким охлаждением в воде или масле. Мягкое состояние «М» ‒ термически отожженный, когда после нагрева остывание производится медленно. Для алюминия также существуют термические методы естественного и искусственного старения.
Для каждой марки определены свои режимы термообработки, изучены влияния напряжения на коррозионные свойства, что также позволяет формировать технологические процессы.
Упрочнение давлением
Этот способ был известен еще нашим предкам. Кузнецы увеличивали плотность материала, куя его на холодную. Это называлось отклепать косу или клинок. Сегодня этот процесс получил название ‒ нагартовка, которая в маркировке проката обозначается «Н». Современные технологии позволяют получать механическое упрочнение любой степени с высокой точностью. Например, «Н2» ‒ полунагартовка, «Н3» ‒ треть нагартовка и т. д.
Метод заключается в максимально возможном механическом обжатии с последующим частичным отожжением до необходимого технологического состояния.
Химическая обработка
Травление поверхности химическими реактивами. Способ применяется для изменения зернистости поверхности и придания ей матового или блестящего оттенка. Обычно методика используется как доработка поверхности проката, произведенного горячей деформацией.
Защита от коррозии
Кроме покрытия защитными лаками или композита с пластиком, в современной металлургии применяют 4 основных способа:
- анодирование – анодная поляризация в растворе электролита с целью получения оксидной пленки, защищающей от коррозии;
- пассивирование – защитный пассивный слой появляется вследствие воздействия окисляющих агентов;
- гальванический метод покрытия одного металла другим. Процесс достигается за счёт электролиза. В частности, покрытие стали никелем, оловом, цинком и другими металлами, устойчивыми к коррозии;
- плакирование – применяется для защиты алюминиевых сплавов, недостаточно устойчивых к коррозии. Методика заключается в механическом покрытии слоем чистого алюминия (прокатом, волочением).
Технология биметаллов
Метод основан на сращивании различных металлов посредством возникновения между ними диффузионной связи. Его суть состоит в необходимости получения материала, обладающего качествами двух элементов. Например, высоковольтные провода должны быть достаточно прочными и характеризоваться высокой электропроводимостью. Для этого сращивают сталь и алюминий. Стальная сердцевина провода принимает на себя механическую нагрузку, а алюминиевая оболочка становится превосходным проводником. В термометрической технике используют биметаллы с различным коэффициентом термического расширения.
В России биметаллы также используются для чеканки монет.
Механическая обработка
Это неотъемлемая часть любого металлообрабатывающего производства, которая выполняется режущим инструментом: резка, рубка, фрезеровка, сверление и др. На современном производстве применяются высокоточные и высокопроизводительные станки и комплексы с ЧПУ. При этом до недавнего времени новые технологии в обработке металлов были недоступны на строительных площадках при сборке металлоконструкций. Механизм выполнения производства работ по месту монтажа предусматривал применение ручных механических и электрических инструментов.
Сегодня разработаны специальные магнитные станки с программным управлением. Оборудование позволяет выполнять сверление на высоте под любым углом. Устройство полностью контролирует процесс, исключая неточности и ошибки, а также позволяет высверливать отверстия большого диаметра, что раннее на высоте было практически невозможно.
Обработка давлением
По способу обработка давлением различается на горячую и холодную деформацию, а по виду ‒ на штамповку, ковку, прокат, вытяжку и высадку. Здесь также внедрена механизация и компьютеризация производства. Это значительно снижает себестоимость продукта, в то же время повышает качество и производительность. Недавним достижением в области холодной деформации стала холодная ковка. Специальное оборудование позволяет с минимальными затратами производить высокохудожественные и одновременно функциональные элементы декора.
Сваривание
Среди ставших уже традиционными методами можно выделить электродуговую, аргонодуговую, точечную, роликовую и газовую сварку. Разделить сварочный процесс можно также на ручной, автоматический и полуавтоматический. При этом для высокоточных процессов сварки применяются новые методы.
Благодаря применению сфокусированного лазера появилась возможность производства сварочных работ на мелких деталях в радиоэлектронике или присоединение твердосплавных режущих элементов к различным фрезам.
В недалеком прошлом технология обходилась достаточно дорого, но с применением современного оборудования, в котором импульсный лазер заменили газовым, методика стала более доступной. Оборудование для лазерной сварки или резки также оснащается программным управлением, а при необходимости производится в вакууме или инертной среде
Плазменная резка
Если по сравнению с лазерной резкой плазменная отличается большей толщиной реза, то по экономичности в разы её превосходит. Это самый распространенный на сегодня метод серийного производства с высокой точностью повторения. Методика заключается в выдувании электрической дуги высокоскоростной струей газа. Уже существуют и ручные плазменные резаки, которые являются превосходящей альтернативой газовой резке.
Новейшие разработки в производстве сложных и малоразмерных деталей
Какая бы совершенная не была механическая обработка у нее есть свой предел по минимальным габаритам производимой детали. В современной радиоэлектронике используются многослойные платы, содержащие сотни микросхем, каждая из которых содержит тысячи микроскопических деталей. Производство таких деталей может показаться волшебством, но это возможно.
Электроэрозионный метод обработки
Технология основана на разрушении и выпаривании микроскопических слоев металла электрической искрой.
Процесс выполняется на роботизированном оборудовании и контролируется компьютером.
Ультразвуковой метод обработки
Этот способ похож на предыдущий, но в нем разрушение материала происходит под воздействием высокочастотных механических колебаний. В основном ультразвуковое оборудование применяют для разделительных процессов. При этом ультразвук используется и в других областях металлообработки ‒ в очистке металла, изготовлении ферритовых матриц и др.
Нанотехнологии
Метод фемтосекундной лазерной абляции остается актуальным способом получения в металле наноотверстий. При этом появляются новые, менее затратные и более эффективные технологии. Изготовление металлических наномембран путем пробивания отверстий методом ионного травления. Отверстия получаются диаметром 28,98 нм с плотностью 23,6х10 6 на мм 2 .
К тому же ученые из США разрабатывают новый, более прогрессивный способ получение металлического массива наноотверстий методом испарения металла по шаблону из кремния. В наши дни свойства таких мембран изучаются с перспективой применения в солнечных батареях.
ФЕДЕРАЛЬНОЕ АГЕНТСТВО ПО ОБРАЗОВАНИЮ
государственное образовательное учреждение
высшего профессионального образования
«АЛТАЙСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ»
«УТВЕРЖДАЮ»
профессор Г.В. Лаврентьев
«____» ___________________ 2010 г.
П Р О Г Р А М М А
повышения квалификации педагогических работников
государственных образовательных учреждений
начального профессионального и среднего профессионального образования
по приоритетному направлению «Современные промышленные технологии»
СОГЛАСОВАНО:
Проректор по качеству
образовательной деятельности Г.А. Спицкая
Директор ЦППКП О.П. Морозова
Барнаул 2010
^ I. ВВЕДЕНИЕ
Для динамичного развития основных отраслей техники, создания новых механизмов и машин, выпуска широкого ассортимента товаров повседневного спроса в России ежегодно создаются десятки новых индивидуальных материалов и разрабатываются рецептуры сотен композитов. Для переработки этих материалов в готовые изделия, используемые в различных отраслях техники и машиностроения, применяются стандартные технологические операции и типовое оборудование профильных предприятий. Однако нередко свойства новых материалов, целенаправленно заложенные в них материаловедами еще при создании, позволяют значительно улучшить экономические, трудозатратные, энергетические и другие показатели технологических процессов их обработки, а, зачастую, и вовсе исключить многие типовые операции либо значительно сократить их время. Поэтому вместе с процессом создания новых материалов постоянно идут работы по корректировке, улучшению и разработке новых процессов и технологий их обработки.
За последние 10-15 лет число таких новых технологических процессов значительно увеличилось, изменилось и их оформление – порой от стадии разработки конструкторских чертежей до создания готовой детали в серийном производстве проходит несколько часов. Изменился и сам стиль, и содержание работы инженера-конструктора машиностроителя, технолога, станочника. Если раньше значительную долю в производительном времени первых двух составляли рутинные конструкторские операции, работа со справочной литературой, прочностные и технологические расчеты, разработка чертежей и технологических карт, то теперь с этой работой успешно справляются многочисленные CAD и САМ-системы. До недавнего времени станочник вручную по разработанной технологической карте выполнял изготовление детали, порой переставляя заготовку из одного станка в другой и используя несколько типов инструмента, постоянно контролируя параметры процессов и размеры готовой детали, то на современном производстве многие технологические операции изготовления и контроля выполняют автоматические системы универсальных станков и обрабатывающих центров с числовым программным управлением (ЧПУ).
Естественно, что успешное использование новых материалов, оборудования и технологий обработки конструкционных материалов в широком производстве не возможно без овладения ими персоналом, занимающимся подготовкой квалифицированных специалистов основных производственных специальностей – токаря, фрезеровщика, станочника-универсала и др. Вместе с тем современное состояние оснащения учебных центров, профессиональных лицеев и колледжей специализированным и современным оборудованием, в силу объективных причин, не позволяет овладевать этими знаниями и практическими умениями и навыками ни самим преподавателям и мастерам производственного обучения, ни студентам.
В настоящее время вопрос подготовки специалистов для машиностроительного производства, оснащенного станками с ЧПУ, объединенными в единую систему с используемыми на конкретном предприятии CAD/CAM-системами, решается, как правило, собственником, путем платной переподготовки работников в специализированных учебных центрах, количество которых ограничено. В этих условиях выпускники профессиональной школы оказываются неконкурентноспособными, прежде всего из-за того, что обучающий их персонал сам не имеет необходимой квалификации. Конечно, вопрос оснащения образовательных учреждений НПО и СПО современными станками и системами автоматизированного конструирования деталей и проектирования технологических процессов их обработки не может быть решен сразу, однако это не исключает самой возможности подготовки квалифицированного обучающего персонала для этих учреждений. Более того, в условиях современной кризисной ситуации совершенно очевидно, что такого рода подготовка должна носить опережающий характер. С этой целью в различных регионах Российской Федерации на конкурсной основе в конце 2008 - начале 2009 г. были созданы ресурсные центры, оснащенные современным машиностроительным оборудованием, станками с ЧПУ, системами CAD/CAM-проектирования, в которых прошли переподготовку и повышение квалификации специалисты профессиональной школы.
Настоящая программа создана учеными Алтайского государственного университета с участием преподавателей Центра по металлообработке БТИ Алтайского государственного технического университета и ресурсного Центра профессионально-технического училища № 8 г. Барнаула.
Программа адресована преподавателям учреждений начального профессионального и среднего профессионального образования и мастерам производственного обучения, осуществляющим подготовку квалифицированных кадров в системе СПО по специальностям:
0308 - Профессиональное обучение (по отраслям); 0309 – Технология; 1104 - Металловедение и термическая обработка металлов; 1105 - Обработка металлов давлением; 1106 - Порошковая металлургия, композиционные материалы, покрытия; 1201 - Технология машиностроения; 2101 - Автоматизация технологических процессов и производств (по отраслям);
А также рабочих в системе НПО по специальностям:
011500 – Станочник (металлообработка); 011501 – Станочник широкого профиля; 011600 – Токарь универсал; 011700 – Фрезеровщик универсал; 010700 – Наладчик станков и оборудования в механообработке; 010703 – Наладчик станков и манипуляторов с программным управлением.
Изучение курса опирается на имеющиеся у слушателей знания теории и практики таких дисциплин как технология машиностроения, процессы металлообработки, станки и оборудование машиностроительных предприятий, математики, физики и химии, информатики и программирования, материаловедения.
Цель программы – создание условий для успешного овладения слушателями современными промышленными технологиями обработки материалов и конструкционных материалов как предметом обучения студентов, методикой его организации и средством оптимизации профессиональной подготовки будущих специалистов в области современного машиностроения.
Задачи программы:
Формирование у слушателей представлений о современном состоянии технологии машиностроения и перспективами ее развития;
Ознакомление с технологическими возможностями, оборудованием и перспективными методами механической обработки конструкционных материалов;
Формирование целостных представлений об основных закономерностях формообразования, физических и химических особенностях процессов электрофизической и электрохимической обработки;
Ознакомление с основными методами и способами автоматизированного проектирования деталей и операций механической обработки при использовании станков с ЧПУ на основе CAD/CAM-систем;
Формирование практических навыков по работе на станках с устройствами цифровой индикации и с ЧПУ, написанию программ для них и изготовления простейших типов деталей;
Формирование у слушателей целостного материаловедческого подхода к процессу выбора материала изделия, с учетом его потребительских характеристик, структуры и свойств конструкционных материалов, технологий их обработки;
Ознакомление с прогрессивными и малоотходными технологиями получения материалов и готовых изделий на основе методов порошковой металлургии и СВС-технологий;
Осуществление анализа конструкторских, технологических и эксплуатационных требований к новым материалам на основе углеродных, органических и неорганических (стеклянных, кварцевых, базальтовых и др.) волокон;
Формирование знаний эксплуатационных свойств в изделиях современных волокнистых композиционных материалов различного назначения и разработанных технологий производства изделий из них;
Ознакомление с возможностями и эффективностью применения материалов в различных областях техники и технологии;
Формирование умений применять физические методы исследования материалов;
Формирование компетентностного подхода к изученному материалу, его рефлективной переработке и проектированию приобретенных знаний, умений и навыков на индивидуальную профессиональную деятельность.
Программу предваряет инвариантный блок, раскрывающий и призванный сформировать у слушателей представление о ведущих тенденциях развития отечественного профессионального образования, обеспечить понимание новых приоритетов государственной политики в этой области, знание нормативно-правовой базы современной профессиональной школы.
В блоке «Тенденции развития современного машиностроения: новые процессы, оборудование и материалы» рассматриваются основные направления и приоритеты развития машиностроения в России, нормативные акты, законодательно регулирующие процессы технического и технологического перевооружения машиностроительной отрасли, закон о техническом регулировании и качестве продукции, организация и принципы функционирования систем качества в машиностроении. Слушатели познакомятся с принципами, заложенными в основу большинства современных промышленных технологий. Будут рассмотрены фундаментальные основы, конструкторские и технологические особенности новых и прогрессивных процессов обработки металлов резанием, пластической деформацией, температурой, сваркой и воздействием высоких энергий. Материаловедение новых конструкционных материалов составит научную основу этого блока, на основании знаний о свойствах новых конструкционных материалов и их изменениях в различных технологических процессах участники программы овладеют умением выбирать оптимальную технологию их обработки для получения деталей с заданными характеристиками с минимальными экономическими и энергетическими затратами, с минимальным количеством отходов и высоким уровнем автоматизации процесса, познакомятся со свойствами большинства современных сталей и сплавов, режимами их обработки и технологией создания. В этом блоке будут представлены основные типы и марки нового технологического оборудования, станков и обрабатывающих центров с ЧПУ, особенности их конструктивного исполнения и работы. Слушатели приобретут практические навыки конструирования деталей и проектирования технологических процессов их изготовления в адаптированных CAD/CAM-системах, получат представление об основах современного процесса высокотехнологического конструирования деталей, организации и особенностях работы интерактивных конструкторских и технологических систем, научатся программировать основные типовые операции обработки деталей резанием на станках с ЧПУ. При этом участники программы будут обеспечены дидактическим материалом и программными продуктами-симуляторами для самостоятельной организации обучения студентов в среде CAD и CAM-проектирования.
В блоке «» представлены одни из самих прогрессивных технологий получения готовых изделий и материалов с минимальным количеством стадий механической и другой обработки – самораспространяющийся высокотемпературный синтез и получение изделий прессованием из порошков металлов и сплавов. Слушатели ознакомятся с теоретическими основами СВС-процессов и их практической реализацией, основными типами реакций, используемых в промышленных СВС-технологиях, организацией производства порошков сверхтвердых соединений, используемых в качестве наполнителей конструкционных металлокомпозитов, СВС-технологиями поверхностной обработки, сварки и пайки. В ходе освоения блока слушателями будут получены практические навыки расчета состава шихты для проведения СВС-процесса, порошковой смеси для получения заготовки стали или сплава определенной марки или металлокомпозиционного материала с нужными свойствами, организации технологической оснастки для прессования порошкового материала с получением готового изделия и заготовки, ознакомятся с особенностями организации СВС или порошкового процесса в конкретной технологии.
В блоке «Полимерные композиционные материалы в современном машиностроении» на основе фундаментальных знаний о составе, строении и свойствах полимерных композиционных материалов слушатели ознакомятся с принципами производства и применения стекло- и углепластиков в машиностроении. Здесь будет представлена информация об областях применения и марках конкретных полимерных композиционных материалов, возможности и перспективы замены отдельных деталей и узлов из металлов и сплавов на полимерные композиты, технологии создания этих материалов и технологии переработки композитов в готовые изделия. Слушатели получат практические навыки по проектированию композита с заданными свойствами и выбору оптимальной технологии его производства, навыки по проведению испытаний стеклопластиков и стержневых конструкций из них и корректировке технологии переработки материала.
Логическим завершением программы является блок «» в котором слушатели смогут ознакомиться с вопросами практической и методической реализации изучения отдельных вопросов программы и их применения в своей профессиональной деятельности, познакомятся с функционирующей в России сетью ресурсных центров и центров коллективного пользования, существующих как при государственных, так и при частных предприятиях, характеристиками и особенностями располагающегося в них оборудования, условиями оказания образовательных услуг этими центрами, а также вопросами стажировки и прохождения практики в этих учебно-научных подразделениях малыми группами специалистов. Будут рассмотрены методические вопросы применения информационных технологий для их использования в профессиональной деятельности слушателей курсов, проведено ознакомление с существующими свободно распространяемыми и демонстрационными версиями систем твердотельного проектирования, CAD/CAM-систем, а также различных визуализаторов и имитаторов операций механической обработки и обработки деталей на станках с ЧПУ.
На заключительном этапе курсов будет проведен круглый стол, на котором слушатели проведут презентацию и защиту своих аттестационных работ и смогут обменяться мнениями по актуальным проблемам методики преподаваемых ими профессиональных дисциплин и включения в них вопросов, рассмотренных в ходе изучения настоящей программы, планируется также и публикация его материалов.
В программе на основе синтеза теоретической и практической составляющей, с использованием современного технологического оборудования машиностроительного предприятия, компьютерных проектирующих систем и мультимедийных средств осуществляется интерактивное индивидуальное и групповое обучение слушателей современным технологиям металлообработки на станках и обрабатывающих центрах с ЧПУ, а также формирование у них компетентностного подхода в области автоматического проектирования деталей и технологических процессов в CAD/CAM-системах. В процессе обучения решаются основные технологические задачи современного машиностроения, заключающиеся в обоснованном выборе материала для изготовления конкретной детали или устройства на основе фундаментальных знаний о составе и свойствах различных материалов и возможности управления ими, выборе технологии создания такого материала, разработке оптимальной технологии его обработки с применением современных высокоавтоматизированных станков и оборудования, и проведении процесса изготовления и окончательной обработки детали с минимальным участием человека.
В ходе реализации программы слушателям будут представлены достижения ученых и преподавателей Алтайского госуниверситета и Алтайского государственного технического университета в научной и образовательной сферах в области современных технологий машиностроения и материаловедения новых материалов, станки, учебное оборудование и методические разработки Алтайского регионального ресурсного центра по металлообработке, компьютерные системы автоматизированного проектирования деталей и технологических процессов их изготовления Adem, интерактивные симуляторы Keller для высокоточных станков с ЧПУ HAAS, станки и оборудование с цифровой индикацией КГУ НПО ПУ № 8 и др., которые станут предметом их творческого осмысления и обсуждения.
Программа носит практико-ориентированный характер. В числе организационных форм обучения преобладают практические и лабораторные занятия, на которых слушатели приобретают практические навыки работы на современном станочном оборудовании, проектирования в среде CAD/CAM-систем, программирования станков с ЧПУ. В ходе реализации программы будут проведены учебные экскурсии на промышленные предприятия г. Барнаула и г. Бийска (ООО «Бийский завод стеклопластиков», ЦРТ «Алтай», ОАО НПО «Анитим»), использующие в своей деятельности современные технологии металлообработки и технологии получения и обработки полимерных композитов, а также на базе лабораторий центра материаловедения и центра нанонаук, нанотехнологий и наноматериалов Алтайского государственного университета.
Обучение слушателей по программе «Материаловедение и современные технологии обработки конструкционных материалов» должно обеспечить:
– ориентацию слушателей в приоритетных направлениях развития современного профессионального образования и овладение навыками применения личностно-ориентированных технологий в своей профессиональной деятельности;
– ознакомление с современными технологиями и оборудованием машиностроительных предприятий;
– получение знаний и практических навыков для работы на станках с УЦИ и ЧПУ, проектированию деталей и технологических процессов обработки в среде CAD/CAM-систем и применения их в практической деятельности;
– овладение основами материаловедения новых конструкционных материалов, методологией их выбора для изготовления конкретных деталей машин и механизмов в рамках оптимальной технологии.
А.В. Ишков, д-р техн. наук, проф. (руководитель); В.А. Плотников, д-р физ.-мат. наук, проф.; О.В. Старцев, д-р техн. наук, проф.; В.Н. Беляев, канд. техн. наук, доц.
Сроки реализации программы «МАТЕРИАЛОВЕДЕНИЕ И СОВРЕМЕННЫЕ ТЕХНОЛОГИИ ОБРАБОТКИ КОНСТРУКЦИОННЫХ МАТЕРИАЛОВ»: 15 марта – 26 марта 2010 г.
«УТВЕРЖДАЮ»
Первый проректор по учебной работе
профессор Г.В. Лаврентьев
«______»_____________ 2010 г.
^ УЧЕБНЫЙ ПЛАН
Материаловедение и современные технологии обработки конструкционных материалов
Цель: повышение квалификации
^ Срок обучения: 10-12 дней
Форма обучения: очная
№
п/п
Всего
часов
В том числе:
Формы
контроля
семинары, практические
лабораторные
Процессы модернизации в профессиональном образовании современной России
Тенденции развития современного машиностроения: новые процессы, оборудование и материалы в деятельности будущего специалиста
Промышленные СВС-технологии и порошковая металлургия
защита проектных заданий
Современные технологии машиностроения: проблемы изучения в образовательном процессе профессиональной школы
круглый стол
Директор ЦППКП О.П. Морозова
^ ГОУ ВПО «АЛТАЙСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ»
«УТВЕРЖДАЮ»
Первый проректор по учебной работе
профессор Г.В.Лаврентьев
«______»_____________ 2010 г.
^ УЧЕБНО-ТЕМАТИЧЕСКИЙ ПЛАН
Материаловедение и современные технологии обработки конструкционных материалов
Цель: повышение квалификации
^ Срок обучения: 10-12 дней
Форма обучения: очная
Режим занятий: от 6 до 8 часов в день
Наименование разделов, дисциплин, тем
Всего
часов
В том числе:
контроля
семинары,
практические
лабораторные
Процессы модернизации в профессиональном образовании современной России
Приоритеты государственной образовательной политики в современных условиях
Правовые акты об образовании: федеральные и региональные проблемы реализации
^ Тенденции развития современного машиностроения: новые процессы, оборудование и материалы в деятельности будущего специалиста
Современное состояние и перспективы развития технологии машиностроения
Оборудование и технологии для механической, электро- и физико-химической обработки плоских и объемных деталей
Общие принципы повышения эффективности и автоматизации металлообработки
Обеспечение качества и сертификация продукции, процессов и технологий машиностроения
Плазменная и лазерная резка листовых конструкционных материалов
Современные методы непрерывной обработки металлов пластической деформацией
Универсальные станки с цифровой индикацией
Обрабатывающие центры HAAS
Разработка технологических процессов обработки металлов с использованием CAD/CAM-систем
Создание управляющих программ обработки деталей на станках с ЧПУ
Изготовление детали на станке с ЧПУ
Промышленные СВС-технологии и порошковая металлургия
Порошковые материалы и изделия из них
Взаимодействия в системах порошковых и порошок-газовых смесей
Синтезы в порошковых смесях, разбавленных инертной компонентой
Синтезы интерметаллических и металлокерамических конструкционных материалов
Полимерные композиционные материалы (ПКМ) в современном машиностроении
защита проектных заданий
Роль ПКМ в современном машиностроении
Структура и свойства ПКМ
Технология, оборудование и автоматизация процессов производства ПКМ
Механическая обработка деталей из ПКМ
Методы и приборы для определения комплекса деформационно-прочностных свойств ПКМ
Работоспособность ПКМ в реальных условиях эксплуатации
Современные технологии машиностроения: проблемы изучения в образовательном процессе профессиональной школы
круглый стол
Использование оборудования ресурсных центров и центров коллективного пользования
Методические аспекты использования IT-технологий в учебном процессе подготовки специалистов НПО и СПО
Директор ЦППКП О.П. Морозова
^ II. СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
Бушуев Ю.Г, Персин М.И., Соколов В.А. Углерод-углеродные композиционные материалы: Справочник. - М.: Изд-во Металлургия, 1994.
Качество машин: Справочник в 2 т. / Под ред. А.Г. Суслова. - М.: Изд-во Машиностроение, 1995.
Композиционные материалы: Справочник. / Под общей ред. В.В.Васильева и Ю.М. Тарнопольского. –М.: Изд-во Машиностроение, 1990.
Компьютерно-интегрированные производства и CALS-технологии в машиностроении / Т.А. Альперович, В.В.Барабанов, А.Н.Давыдов и др. - М.: Изд-во ГУП ВИМИ, 1999.
Котлер Ф. Основы маркетинга. / Пер. с англ. - М.: Изд-во Бизнес-книга, 1995.
Краткий справочник металлиста. / Под ред. А. Е Древаль, Е.А. Скороходова. – М.: Изд-во Машиностроение, 2005.
Лахтин Ю.М., Леонтьева В.П. Материаловедение.–М.: Изд-во Машиностроение, 1990.
Либенсон Г.А. Производство порошковых изделий. Учебник для техникумов. - М.: Изд-во Металлургия, 1990.
Ловыгин А. Современный станок с ЧПУ и CAD/CAM система. - М.: Изд-во ДМК, 2008.
Машиностроение: Энциклопедия. Технология изготовления деталей машин. / Под ред. А.Г. Суслова. - М.: Изд-во Машиностроение, 1999.
Мержанов А.Г. Самораспространяющийся высокотемпературный синтез. Физическая химия: Современные проблемы. –М.: Изд-во Химия, 1983.
Панов В.С. Технология и свойства спеченных твердых сплавов и изделий из них. Учебное пособие для вузов. - М.: Изд-во МИСИC, 2001.
Перепечко И.И. Введение в физику полимеров. -М.: Изд-во Химия, 1978.
Раковский B.C., Саклинский В.В. Порошковая металлургия в машиностроении. –М.: Изд-во Машиностроение, 1973.
Смазочно-охлаждающие технологические средства и их применение при обработке резанием: Справочник/ Под общ. ред. Л.В. Худобина. - М.: Изд-во Машиностроение, 2006.
Справочник по композиционным материалам. В 2 т. / Под ред. Дж. Любина. Пер. с англ. -М.: Изд-во Машиностроение, 1988.
Схиртладзе А.Г. Работа оператора на станках с программным управлением: Учебное пособие для проф. учеб. заведений. - М.: Изд-во Академия, 1998.
Теория резания. Учебник. / П.И. Ящерицын и др. - М.: Изд-во Новое знание, 2006.
Технология машиностроения: В 2 т. Учебник для вузов / В.М. Бурцев, А.С. Васильев, А.М. Дальский и др. – М.: Изд-во МГТУ им. Н.Э. Баумана, 1997.
Токарный станок – руководство оператора (русск.). Январь 2007: Методическое руководство. – Окснард – Калифорния: Haas Automation Inc., 2007.
Фельдштейн Е.Э. Обработка деталей на станках с ЧПУ. Учебное пособие. - М.: Изд-во Новое знание, 2008.
Фотеев Н.К. Технология электроэрозионной обработки. - М.: Изд-во Машиностроение, 1980.
Фрезерный станок – руководство оператора (русск.). Январь 2007: Методическое руководство. – Окснард – Калифорния: Haas Automation Inc., 2007.
Химия синтеза сжиганием. / Ред. М. Коидзуми. Пер. с япоск. –М.: Изд-во Мир, 1998.
Шишмарев В.Ю. Автоматизация технологических процессов. М.: Изд-во Academia, 2009.
^ III. ТЕМАТИКА ИТОГОВЫХ АТТЕСТАЦИОННЫХ РАБОТ
Современное состояние машиностроения в России и странах СНГ
Новые и малоотходные технологии в машиностроении
Американские станкостроительные компании
«Умные» материалы
Есть ли еще резервы у традиционных материалов?
Машиностроение в современных рыночных условиях: «за» и «против» САПР
Японские станкостроительные компании
Рынок металлообрабатывающих станков в России и за рубежом
Современные технологии металлообработки
Китайские станкостроительные компании
Машиностроительные технологии будущего
Два альтернативных пути металлообработки: съем и наращивание металла
Определение оптимальных параметров резания
Быстрорежущие стали и инструмент
Наноперемещения: их реализация и использование в современных станках
Устройство цифровой индикации или система ЧПУ?
Многокоординатные центры с ЧПУ
Обработка типовых деталей на станках с ЧПУ
Болгарские станкостроительные компании
Станкостроение в современной России
Электроэрозионная обработка
Плазменная и лазерная резка
Гидроабразивная обработка: материалы, особенности и области применения
Новые стали и сплавы для машиностроения
Малоотходные технологии обработки металлов
Технологии пластической деформации и обработка металлов
Керамика и металлокерамика в современном машиностроении
Системы качества на японских машиностроительных предприятиях
Сертификация систем менеджмента качества специализированными кампаниями: шаг
Металл в разных его проявлениях, включая многочисленные сплавы, является одним из самых востребованных и широко используемых материалов. Именно из него изготовляется масса деталей, а также огромное количество других ходовых вещей. Но, чтобы получить какое-либо изделие или деталь, необходимо приложить немало усилий, изучить процессы обработки и свойства материала. Основные виды обработки металлов осуществляются по различному принципу воздействия на поверхность заготовки: термический, химический, художественные воздействия, с применением резки или давления.
Термическое воздействие на материал - это влияние тепла с целью изменения необходимых параметров относительно свойств и структуры твердого вещества. Наиболее часто процесс применяется при производстве разнообразных машинных деталей, причем, на разных стадиях изготовления. Основные виды термической обработки металлов: отжиг, закалка и отпуск. Каждый процесс по-своему влияет на изделие и проводится при разных значениях температурного режима. Дополнительными типами влияния тепла на материал выступают такие операции, как обработка холодом и старение.
Технологические процессы получения деталей или заготовок посредством силового влияния на обрабатываемую поверхность включают в себя разные виды обработки металлов давлением. Среди этих операций имеется несколько наиболее популярных в использовании. Так, прокатка происходит путем обжатия заготовки между парой вращающихся валков. Валки могут быть разной формы, в зависимости от требований, предъявляемых к детали. При прессовании материал заключается в замкнутую форму, откуда после выдавливается в форму меньших размеров. Волочение - процесс протягивания заготовки через постепенно сужающееся отверстие. Под воздействием давления также производят ковку, объемную и листовую штамповку.
Особенности художественной обработки металлов
Творческий подход и мастерство отражают различные виды художественной обработки металлов. Среди них можно отметить пару самых древних, изученных и применяемых еще нашими предками - это литье и . Хотя ненамного отстал от них по времени появления еще один способ воздействия, а именно, чеканка.
Чеканка представляет собой процесс создания картин на металлической поверхности. Сама технология включает применение давления на предварительно нанесенный рельеф. Примечательно, что чеканку можно делать как на холодной, так и на разогретой рабочей поверхности. Эти условия зависят, прежде всего, от свойств того или иного материала, а также от возможностей применяемых в работе инструментов.
Способы механической обработки металлов
Отдельного внимания заслуживают виды механической обработки металлов. По-другому механическое воздействие можно назвать методом резания. Такой метод считается традиционным и самым распространенным. Стоит заметить, что основными подвидами данного метода являются различные манипуляции с рабочим материалом: раскрой, резка, штамповка, сверление. Благодаря именно этому способу предоставляется возможность получения из прямого листа или чурки нужной детали с необходимыми размерами и формой. Еще с помощью механического воздействия можно добиться необходимых качеств материала. Часто подобный способ применяют, когда нужно сделать заготовку, пригодную для дальнейших технологических операций.
Виды обработки металлов резанием представлены точением, сверлением, фрезерованием, строганием, долблением и шлифованием. Каждый процесс отличается друг от друга, но в целом резание - это снятие верхнего слоя рабочей поверхности в виде стружки. Наиболее часто применяются методы сверления, точения и фрезерования. При сверлении деталь закрепляется в неподвижном положении, воздействие на нее происходит сверлом заданного диаметра. При точении обрабатываемая деталь вращается, а режущие инструменты перемещаются в заданных направлениях. При используется вращательное движение режущего инструмента относительно неподвижно закрепленной детали.
Химическая обработка металлов для повышения защитных свойств материала
Химическая обработка - практически самый простой тип воздействия на материал. Здесь не требуется больших трудозатрат или специализированного оборудования. Используются все виды химической обработки металлов, чтобы придать поверхности определенный внешний вид. Также под влиянием химического воздействия стремятся повысить защитные свойства материала - устойчивость к коррозии, механическим повреждениям.
Среди данных способов химического влияния наиболее популярны пассивация и оксидирование, хотя нередко применяется кадмирование, хромирование, меднение, никелирование, цинкование и прочие. Все методы и процессы проводятся с целью повышения различных показателей: прочности, износостойкости, твердости, сопротивляемости. Кроме того, такой тип обработки используют для придания поверхности декоративного вида.
Металлообрабатывающее оборудование на сегодняшний день нашло широкое применение в различных промышленных отраслях: железнодорожной отрасли, энергетике, авиа и судостроении, строительстве, машиностроении и так далее.
Выбор станков напрямую зависит от объемов производства (механические, ручные, с ЧПУ, автоматические и так далее), необходимого качества детали и вида обработки.
Токарно-фрезерная обработка
Механическая обработка используется для того, чтобы производить новые поверхности. Работа состоит в разрушении слоя определенной области: при этом режущий инструмент осуществляет контроль степени деформации. Основным оборудованием для механической обработки металлов являются токарные и фрезерные станки, а также универсальные токарно-фрезерные обрабатывающие центры.
Токарная обработка - это процесс резания металла, осуществляемый при линейной подаче режущего инструментом при одновременном вращении заготовки.
Точение осуществляется срезанием с поверхности заготовки определенного слоя металла с помощью резцов, сверл или других режущих инструментов.
Главным движением при точении является вращение заготовки.
Движением подачи при точении является поступательное перемещение резца, которое может совершаться вдоль или поперек изделия, а также под постоянным или изменяющимся углом к оси вращения изделия.
Фрезерная обработка - это процесс резания металла, осуществляемый вращающимся режущим инструментом при одновременной линейной подаче заготовки.
Материал с заготовки снимают на определенную глубину фрезой, работающей либо торцовой стороной, либо периферией.
Главным движением при фрезеровании является вращение фрезы.
Движением подачи при фрезеровании является поступательное перемещение обрабатываемой детали.
Токарно-фрезерная обработка металлов выполняется с помощью универсальных обрабатывающих центров с числовым программным управлением (ЧПУ), позволяющих выполнять сложнейшую высокоточную обработку без учета человеческого фактора. ЧПУ предполагает, что каждым этапом выполняемых работ управляет компьютер, которому задается определенная программа. Обработка детали на станке с ЧПУ обеспечивает максимально точные размеры готового изделия, т.к. все операции выполняются с одной установки обрабатываемой заготовки.
Электроэрозионная обработка
Суть метода электроэрозионной обработки (резки) заключается в полезном использовании электрического пробоя при обработке поверхности.
При сближении электродов, находящихся под током, происходит разряд, разрушительное воздействие которого проявляется на аноде, которым служит обрабатываемый материал.
Межэлектродное пространство заполняется диэлектриком (керосином, дистиллированной водой или специальной рабочей жидкостью), в котором разрушающее воздействие на анод значительно более действенно, чем в воздухе. Диэлектрик также играет роль катализатора процесса распада материала, т. к. он - при разряде в зоне эрозии - превращается в пар. При этом происходит «микровзрыв» пара, который также разрушает материал.
Важнейшим преимуществом проволочно-вырезных станков является малый радиус эффективного сечения инструмента (проволоки), а также возможность точного пространственного ориентирования режущего инструмента. В силу этого возникают уникальные возможности для изготовления точных деталей в широком диапазоне размеров с достаточно сложной геометрией.
Для некоторых изготавливаемых деталей применение электроэрозионной обработки является предпочтительным, в сравнении с другими видами обработки.
Электроэрозионные проволочно-вырезные станки позволяет рационально осуществить операции по:
изготовлению деталей со сложной пространственной формой и повышенными требованиями к точности и чистоте обработки, в том числе деталей из металла с повышенной твердостью и хрупкостью;
изготовлению фасонных резцов, матриц, пуансонов, вырубных штампов, лекал, копиров и сложных пресс-форм в инструментальном производстве.
Гидроабразивная обработка
Гидроабразивная обработка металла – это один из наиболее высокотехнологических процессов, обладающий высокими показателями точности и экологичности производства. Процесс гидроабразивной резки заключается в обработке заготовки тонкой струей воды под большим давлением с добавлением абразивного материала (например, мельчайший кварцевый песок). Технологический процесс гидроабразивной резки является очень точным и качественным способом обработки металла.
В процессе гидроабразивной обработки вода смешивается в специальной камере с абразивом и проходит через очень узкое сопло режущей головки под высоким давлением (до 4000 бар). Гидроабразивная смесь выходит из режущей головки со скоростью, превышающей скорость звука (часто более чем в 3 раза).
Наиболее производительное и универсальное оборудование – это системы консольного и портального типа. Такое оборудование идеально подходит, например, для аэрокосмической и автомобильной промышленности; оно может широко использоваться в любых других отраслях.
Гидроабразивный раскрой является безопасным способом обработки. Резка водой не производит вредных выделений и (за счет возможности получения узкого реза) экономично расходует обрабатываемый материал. Hет зон термического воздействия, закаливания. Небольшая механическая нагрузка на материал облегчает обработку сложных деталей, особенно с тонкими стенками.
Одним из важнейших преимуществ водоструйной технологии является возможность обработки практически любых материалов. Данное свойство делает технологию гидроабразивной резки незаменимой в ряде технологических производств и делает ее применимой практически в каждом производстве.
Лазерная обработка
Лазерная обработка материалов включает в себя резку и раскрой листа, сварку, закалку, наплавку, гравировку, маркировку и другие технологические операции.
Использование лазерной технологии обработки материалов обеспечивает высокую производительность и точность, экономит энергию и материалы, позволяет реализовать принципиально новые технологические решения и использовать труднообрабатываемые материалы, повышает экологическую безопасность предприятия.
Лазерная резка осуществляется путём сквозного прожига листовых металлов лучом лазера. В процессе резки, под воздействием лазерного луча материал разрезаемого участка плавится, возгорается, испаряется или выдувается струей газа. При этом можно получить узкие резы с минимальной зоной термического влияния.
Такая технология имеет ряд очевидных преимуществ перед многими другими способами раскроя:
отсутствие механического контакта позволяет обрабатывать хрупкие и деформирующиеся материалы;
обработке поддаются материалы из твердых сплавов;
возможна высокоскоростная резка тонколистовой стали;
Для резки металлов применяют технологические установки на основе твердотельных, волоконных лазеров и газовых CO 2 -лазеров, работающих как в непрерывном, так и в импульсно-периодическом режимах излучения. Сфокусированный лазерный луч, обычно управляемый компьютером, обеспечивает высокую концентрацию энергии и позволяет разрезать практически любые материалы независимо от их теплофизических свойств.
Благодаря высокой мощности лазерного излучения обеспечивается высокая производительность процесса в сочетании с высоким качеством поверхностей реза. Легкое и сравнительно простое управление лазерным излучением позволяет осуществлять лазерную резку по сложному контуру плоских и объемных деталей и заготовок с высокой степенью автоматизации процесса.
