Трудове навчання (технічні види праці). 8 клас. Лебедєв

Розділ 3. Основи техніки, технологій і проектування

Сучасні методи обробки металу

§ 28. Поняття про сучасні методи і прийоми обробки металу

Ви дізнаєтесь

Про нові способи впливу на метали та їх сплави з метою виготовлення деталей або виробів дуже складної форми з мінімальними затратами енергії та матеріалу.

Пригадайте

Які способи обробки виробів з металів та їх сплавів існують у виробництві?

Перш ніж почати розглядати нові технології, необхідно визначити, що таке технологія. Головну роль при цьому відіграє чинник науки: наскільки досконалим і сучасним є використання наукових результатів, закладених в основу того чи іншого процесу, та побудованих на їх основі об'єктів техніки. Техніка і технологія дуже тісно пов'язані з фундаментальними дослідженнями і є відображенням нових наукових ідей у виробництві.

Розглянемо сучасні способи обробки металів та їх сплавів.

До променевих методів обробки відносять процеси видалення матеріалу плавленням і випаровуванням його в зоні обробки під дією енергії променевих потоків чи високоенергетичних струменів. Променеві методи поділяють на фотонно-променеві, електронно-променеві і плазменні.

Означення

Технологія (у широкому сенсі) — засіб освоєння людиною довкілля за допомогою певним чином організованої діяльності, що базується на трьох основних чинниках: наука, знаряддя праці та фахівці.

В основі фотонно-променевої обробки лежить застосування безперервного чи імпульсного променя, який посилає оптичний квантовий генератор (ОКГ). Його часто називають лазером. Промінь вирізняється високою густиною енергії. Спрямований на оброблювану поверхню, він викликає плавлення і випаровування речовини з утворенням у деталі наскрізного чи ненаскрізного отвору. Цей процес застосовується для зварювання, якщо матеріал нагрівається вище температури плавлення, але нижче за температуру випаровування. Через те що температура променя досягає 5000-8000 °С, ним можна оброблювати будь-які матеріали. Для одержання отворів малих діаметрів (декілька мікрометрів) і в деталях з надтвердих матеріалів (алмаз, рубін тощо) у більшості випадків фотонно-променева обробка є єдино можливим технологічним методом.

Мал. 170. Схема будови лазерної установки (а) та робоче місце біля неї (б)

Схема будови лазерної установки представлена на малюнку 170: 1 — імпульсна ксенонова лампа накачування; 2 — дзеркала; 3 — оптичний квантовий генератор — джерело, що випускає фотони (рубіновий стержень); 4 — освітлювач; 5 — лінза; 6 — бінокулярний мікроскоп; 7 — деталі, що зварюються.

Принцип роботи установки заснований на фізичному явищі. Атоми певного елемента збуджуються імпульсним джерелом світла (лампою накачування), й електрони цих атомів переходять на вищий рівень енергії. Потік квантів енергії (фотонів), спрямований на поверхню твердого тіла, перетворює свою енергію в теплову, і температура твердого тіла різко зростає, оскільки потік фотонів має дуже високу густину енергії. Приклад обробки виробу з металу лазерним промінням наведено на малюнку 171.

Мал. 171. Лазерне зварювання вала-шестерні

Надзвичайно важливим є те, що дія електронного променя не супроводжується ударними навантаженнями на виріб. Особливо це важливо при обробці крихких матеріалів, таких як вольфрам. В електронній техніці використовуються пластинки з чистого вольфраму.

Штучні волокна виготовляються за допомогою філь'єр, які мають отвори складного профілю. Вони такі малі, що волокна, протягнуті через них, мають товщину, значно тоншу за людське волосся.

Фізична сутність електронно-променевої обробки полягає у використанні енергії електронів, які летять із великою швидкістю, для спрямованого видалення матеріалу шляхом нагрівання, плавлення і випаровування його в зоні обробки. Схожим за дією є рентгенівський апарат — обладнання для просвічування біологічних об'єктів у медичних цілях або для досліджень. Дія цього променя схожа на дію лазерного випромінювання.

Мал. 172. Робочі зони під час електронно-променевої обробки металу

Електронний промінь застосовують для зварювання, плавлення, очищення металу, що відображено на мал. 172, а, б. Загальний вигляд електронно-променевої установки зображено на мал. 173.

Мал. 173. Загальний вигляд електронно-променевої установки

Електронно-променева технологія використовується і для плавки металів і сплавів, що переплавляються у вигляді зливків, кускової шихти, стержнів і різних відходів, наприклад, пресованої стружки. У результаті одержують високочисті зливки тугоплавких та хімічно стійких металів, зокрема вольфраму, титану, молібдену, ніобію, гафнію, цирконію, нікелю, міді, кобальту, заліза тощо й високоякісних жаростійких і жароміцних сплавів на їх основі.

Недолік цього методу — необхідність надійного захисту персоналу обслуги від рентгенівського випромінювання, що шкідливо впливає на живі організми.

Означення

Плазменна обробка — це технологічний процес, під час якого для видалення матеріалу використовують струмінь йонізованого газу (плазми).

Плазмою називають особливий стан речовини, у якому поряд із нейтральними і збудженими атомами є йонізовані атоми й електрони. Такий стан властивий будь-якій речовині, нагрітій до високої температури. Наприклад, під час дугового розряду в газі температура плазми досягає 5000-50000 °С, а в разі іскрового розряду — навіть 500000 °С. У процесі плазменної обробки йонізований газ-плазма (50000 °С) утворюється при нагріванні робочого газу в умовах дугового розряду. Внаслідок дії плазменного струменя на оброблюваний матеріал він розігрівається в зоні обробки, потім плавиться і частково випаровується. Розплавлений матеріал під дією енергії плазменного струменя видаляється із зони обробки, як це показано на мал. 174.

Найчастіше плазменний струмінь застосовують у таких випадках:

• для попереднього нагрівання заготовки під час обробки різанням;
• для знімання поверхневих шарів матеріалу з циліндричних заготовок на токарному верстаті;
• для різання листового матеріалу; для обробки отворів, щілин, пазів малих розмірів.

Плазменний струмінь можна застосовувати для різання найрізноманітніших матеріалів: тугоплавких металів (вольфрам, молібден, тантал), тугоплавких з'єднань (карбіди, силіциди, окисли), кольорових металів (мідь, алюміній), високолегованих сталей, металевих і струмонепровідних матеріалів (вогнетривка кераміка, скло, слюда, камені) (мал. 174, а-г).

Мал. 174. Схема роботи плазмотрона (а) та результати його роботи (б, в, г)

Плазменна технологія має значні переваги під час здійснення металургійних процесів, особливо у виробничих масштабах виготовлення, а також під час створення спеціальних матеріалів. Велика концентрація енергії в малому об'ємі, висока температура середовища за різних тисків, високі швидкості протікання фізико-хімічних реакцій, характерні для плазми, дають змогу не тільки прискорити традиційні процеси, а й створити нові технології.

Має ширше застосування так звана плазмомеханічна обробка металів, зміст якої полягає у зменшенні міцності поверхні перед обробкою керамічним різцем. Це дає змогу підвищити швидкість обробки деталей, знімати стружку більшої товщини. Плазменні технології дають змогу одержувати такі матеріали, яких узагалі не знало людство. Наприклад, металобетон і пінометал, де як конструкційний матеріал використовують сталь, чавун, алюміній, свинець тощо. Металобетон більш стійкий, ніж звичайний бетон: на стискування у 10 разів, на розтягування — у 100 разів.

Метал, застиглий у вигляді піни, або пінометал, маючи міцність металу, має вагу в десятки разів меншу.

Проте, окрім використання високоенергетичних методів обробки металів, зокрема різання, плавлення, на сучасному етапі розвитку науки й виробництва створено нові технології, які допомагають нарощувати метали й сплави на заготовку. Новим видом формування виробів із металів, їх сплавів і твердих сплавів на основі металів є друкування на 3D-принтерах.

Означення

3D-принтер — пристрій для створення або нарощування твердого об'ємного об'єкта шляхом нанесення безлічі шарів матеріалу.

Якщо використати аналогію (див. метод аналогій у 5 класі), то ця технологія нагадує плавлення свічки під дією горіння гнота (мал. 175). Але замість воску плавляться гранули металу або сплаву, а роль гнота виконує високоенергетичний лазерний промінь, спрямований в одну точку з кількох сторін. У цьому місці метал під дією високої температури розплавляється і миттєво застигає в потрібному положенні. Таким чином, шар за шаром утворюється цілісна деталь.

Мал. 175. Крапельки воску від свічки формують певне барельєфне зображення

У 1980-роках 3D-принтери називали машинами для створення дослідних зразків. Спеціальна головка (сопло) кладе шар за шаром, друкуючи таким чином об'єкт (мал. 176, а, б).

Мал. 176. Друк на 3D-принтері

Поєднання роботи 3D-сканера і 3D-принтера можуть уможливити друк предмета навіть у невагомості (мал. 177, а, б).

Мал. 177. Друк на 3D-принтерi в космічній станції

Розглянемо 3D-принтери, які друкують об'ємні вироби з металів, їх сплавів та інших матеріалів на основі металів.

3D-принтер по металу (мал. 178) — це промислова система безпосереднього об'ємного 3D-друку металевих виробів. Враховуючи товщину шарів від 0,005 до 0,03 мм, практично немає ніяких обмежень для складного дизайну. Система має можливість підтримувати розміри частинок, близькі до 0,005 мм, у результаті чого виріб виконується з максимальною деталізацією і чистотою обробленої поверхні.

Мал. 178. 3D-принтер по металу

У машині передбачено автоматичне завантаження та утилізація матеріалу. Система може виготовляти як окремі деталі, так і складні моделі. Можна використовувати безліч матеріалів для друку: нержавіюча сталь, інструментальна сталь, надміцні сплави, сплави кольорових металів, дорогоцінні метали, оксид алюмінію.

3D-принтери використовуються в аерокосмічній та оборонній галузі, у виробництві двигунів або їх деталей, під час виготовлення медичних інструментів, індивідуальних імплантантів, ювелірних виробів, елементів систем охолодження тощо (мал. 179, а, б).

Мал. 179. Вироби, виготовлені 3D-принтером по металу

Усі розглянуті методи обробки металів та їх сплавів мають такі переваги:

• можна оброблювати метали та їх з'єднання з будь-якими фізико-механічними властивостями, при цьому режими обробки не залежать від властивостей матеріалу;
• можна здійснювати обробку, неможливу за звичайних механічних методів;
• брак силової дії на заготовку і механічного контакту між інструментом і заготовкою;
• досягнення високої продуктивності обробки із високою точністю одержання розмірів;
• можливість легко автоматизувати процеси обробки.

Розглянуті методи суттєво змінюють технологію виготовлення деталей. Ймовірно, незабаром настане час, коли в суспільстві з'явиться індустрія виробництва «за запитом» зі своєю окремою економічною стратегією, а 3D-відтворення стане звичним явищем для багатьох сфер життя.

Чи добре засвоїли?

• 1. Які способи впливу на метали та їх сплави належать до променевих методів обробки?
• 2. Які основні переваги розглянутих методів над механічними способами обробки — литтям, різанням, куванням?
• 3. У чому перевага обробки металевих виробів плазменним наплавленням на поверхню корозійностійких сплавів?
• 4. Де може використовуватися технологія 3D?

Поясніть

• 1. Назвіть спільні і відмінні ознаки плазменного методу і виготовлення виробів на 3D-принтерax.
• 2. У чому перевага пінометалу над іншими конструкційними матеріалами?
• 3. Що називають металобетоном?
• 4. Яким чином плазменна технологія збільшує продуктивність обробки металів різанням?