FYZIKÁLNÍ METODY OBRÁBĚNÍ Ing. Jana Kalinová 2013 Obrábění paprskem kapaliny Plazmou Elektronovým paprskem Iontovým paprskem Světelným paprskem - laserem

Obrábění mechanické – kapalinovým paprskem, nebo paprskem s abrazivem Technologie vznikla ke konci 60.let Uplatnění zejména pro rakety, družice a raketoplány První zařízení u Boeing v roce 1974 V ostatních odvětvích průmyslu po roce 1978 Abrazívní paprsek až 1983

Obrábění mechanické – kapalinovým paprskem Principem je přeměna kinetické energie molekul kapaliny na mechanickou práci za současného působení kavitační koroze Tlak paprsku kapaliny 200 až 600 MPa Rychlost paprsku kapaliny je až 4x větší, než rychlost zvuku (cca 330m/s) Kavitační koroze pomáhá s vytrháváním částic materiálu obrobku

Obrábění mechanické – kapalinovým paprskem Paprsek nejprve prorazí otvor a následně pohybem vůči obrobku dochází k vytvoření řezné spáry Kapalinou je: Čistá voda Olej Kakao (cukrářství)

Obrábění mechanické – kapalinovým paprskem 1 – tlaková kapalina 2 – výstupní tryska 3 – kapalinový paprsek 4 – obrobek 5 – potrubí 6 – matice 7 – lůžko trysky 8 – držák trysky 9 – stabilizátor proudu paprsku a – vzdálenost trysky od obrobku Výstupní safírová tryska Schéma řezací hlavy

Obrábění mechanické – kapalinovým paprskem a proudem brusiva Princip je shodný jako u čistého paprsku kapaliny, zde je ale smísen s abrazivem Brusivo (abrazivo) velikosti 0,2 až 0,5mm: Křemičitý písek Olivín Granát Kubický nitrid boru

Obrábění mechanické – kapalinovým paprskem a proudem brusiva 1 – tlaková kapalina 2 – zásobník brousících zrn 3 – směšovací komora 4 – výstupní řezací tryska 5 – obrobek 6 – lapač 7 – vodní safírová tryska 8 – potrubí 9 – matice a – vzdálenost trysky od obrobku Výstupní tryska Schéma řezací hlavy

Plazma - paprsek koncentrované energie Elektricky vodivý stav plynu, který nastává při elektrickém výboji mezi anodou a katodou – vzniká ionizovaný plyn. Původně chemicky stejnorodý plyn se změní na směs kladných a záporných iontů, fotonů a dalších elementárních částic

Plazma – obrábění plazmou Založeno na ohřevu nebo tavení materiálu za extrémně vysokých teplot (10tis – 30tis °C), které vznikají rozkladem molekul plynu při jejich průchodu elektrickým obloukem Oblouk hoří mezi netavící se katodou (W) a anodou (materiál, nebo těleso hořáku)

Plazma – obrábění plazmou Paprsek je řádově o 1mm průměru Oblouk hoří mezi netavící se katodou (W) a anodou (materiál, nebo těleso hořáku) Rychlost proudu vysoká (neuvedeno) Roztavený materiálu je z řezu odfukován asistentním plynem

Plazma – technologické zařízení Plazmový hořák Zdroj elektrického proudu Řídící jednotka Manipulační zařízení - souřad. prac. stůl - manipulátor - robot

Plazma – plazmový hořák V něm dochází k přeměně elektrické energie na tepelnou energii usměrněného proudu plazmy Důležitý parametr plazmového hořáku je stabilizace elektrického oblouku

Plazma – stabilizační médium Plazmové hořáky s plynovou stabilizací Plazmové hořáky s vodní stabilizací

Plazma – stabilizační plyny Plazmové plyny - Ar, He, N, Ag+H Fokusační (zaostřovací) plyny – Ar, N, Ar+H, Ar+N Asistentní plyny – Ar, N

Plazmový hořák – s plynovou stabilizací s transferovým obloukem Elektrický oblouk hoří mezi vnitřní elektrodou umístěnou v hořáku a obráběným materiálem Používá se pro opracování kovů Řezání ocelí a neželezných kovů

Plazmový hořák – s plynovou stabilizací s transferovým obloukem 1 – těleso hořáku 2 – katoda 3 – přívod plynu (argon) 4 – chlazení hořáku 5 – paprsek plazmy 6 – obrobek

Plazmový hořák – s plynovou stabilizací s NEtransferovým obloukem Elektrický oblouk hoří mezi vnitřní elektrodou umístěnou v hořáku a výstupní měděnou tryskou, která tvoří anodu a hoří zde pomocný oblouk Používá se pro obrábění nevodivých materiálů (např. keramiky) K nanášení povlaků

Plazmový hořák – s plynovou stabilizací s NEtransferovým obloukem 1 – těleso hořáku 2 – katoda 3 – přívod plynu (argon) 4 – chlazení hořáku 5 – paprsek plazmy 6 – obrobek

Plazmový hořák – s vodní stabilizací HYDROTERM Řezací tryska má přídavné vodní kanálky, kterými se vstřikuje voda do plazmového hořáku Řezání ocelí a neželezných kovů Pro nanášení povlaků Snižuje hlučnost, prašnost, kouř, UV záření na obsluhu

Plazmový hořák – s vodní stabilizací HYDROTERM 1 – těleso hořáku 2 – katoda 3 – přívod plynu (argon) 4 – chlazení hořáku 5 – paprsek plazmy 6 – obrobek 7 – přívod vody

Technická praxe Řezání materiálů Svařování Navařování Stříkání vrstev materiálů požad. vlastností Obrábění těžkoobrobitelných materiálů Tavení materiálů v pecích Rozklad odpadů

Řezání plazmou Pracovní cyklus je ovládám CNC řídícím systémem Maximální tloušťka korozivzdorných ocelí je 130mm Maximální tloušťka slitin hliníku a mědi je 150mm

Řezání plazmou

Řezání plazmou – s plynovou stabilizací

Svařování Pracovní cyklus je ovládám NC systémem, který ovládá všechny pracovní parametry – proud, napětí, dávkování plynů, podávání svařovacího drátu, atd. Pro napájení se používají generátory stejnosměrné nebo vysokofrekvenční

Svařování 1 – kontrolní a řídící systém 2 – stabilizační plyn 3 – zdroj pracovního el. oblouku 4 – anody 5 – místo svaru 6 – regulátor tlaku 7 – zásobník plynu 8 – systém ovládání pohybů mechanických částí stroje 9 – podávání svař. drátu 10 – katoda 11 – zdroj pomoc. el. oblouku

Obrábění Obrábění s předehřevem materiálu před břitem řezného nástroje – pro těžkoobrobitelné mat., extrémně dlouhé výrobky tj. válce válcovacích stolic, papírenské válce, aj. Díky natavení jsou řezné síly malé => zvýšení trvanlivosti nástrojů až o 400%

Obrábění - soustružení

Obrábění - hoblování

Obrábění - frézování

Obrábění Odtavování materiálu z povrchu obrobku – použitelné pouze pro hrubování Asistentní plyn materiál z povrchu obrobku odfukuje Vysoké tepelné ovlivnění povrchu obrobku ŘN – ŘK, SK

Elektronový paprsek Princip spočívá ve využití kinetické energie proudu elektronů urychlených elektromagnetickým polem a jejich zaostřením do pracovního místa V místě dopadu se kinetická energie mění v tepelnou, materiál obrobku taje a odpařuje se.

Elektronový paprsek Paprsek vniká do určité hloubky, tam se pohyb elektronů zastaví, vzniklá tepelná energie se koncentruje pod povrchem a způsobuje erupční odpařování materiálu Páry odpařeného materiálu jsou ionizovány a způsobí nové zaostření paprsku v pracovním místě.

Elektronový paprsek - princip 2 – páry odpařeného kovu

Elektronový paprsek Výrobní zařízení sestává z: Elektronového děla elektromagnet. fokusačního systému Systému pro vychylování paprsku Napájecího generátoru Pracovní komory Číslicového řídícího systému

Elektronový paprsek - zařízení

Elektronový paprsek - zařízení 1 – wolframový drát 2 – elektronové dělo 3 – izolátor 4 - elektronový paprsek 5 – elektromagnetické čočky 6 – průzor 7 – obrobek 8 – pracovní stůl 9 – elektrostatické vychylování elektronového paprsku 10 – vývěvy 11 – napájecí zdroj

Elektronový paprsek Elektronové dělo (zdroj elektronů) je tvořeno žhavenou wolframovou katodou a anodou Elektrony uvolněné z katody jsou anodou urychleny na cca 2/3 rychlosti světla Elektronový paprsek je zaostřen a pro efektivnější zaostření proces probíhá ve vakuu

Elektronový paprsek - využití Svařování nesvařitelných materiálů Vrtání dlouhých děr malých průměrů (0,015mm rychlostí 4000děr/sec) Řezání (laserem se využívá častěji) Tepelné zpracování Litografické technologie Elektrotechnika – výroba čipů (200tis detailů)

Iontový paprsek Princip spočívá ve využití kinetické energie proudu iontů (obvykle Ar) Atomy obrobku se díky bombardování povrchu uvolňují Intenzita úběru je úměrná hustotě proudu iontů, energii dopadajících iontů, úhlu dopadu iontů (nejlépe 60° pro SiO2), atd.

Iontový paprsek Obrábění probíhá přes krycí masku podobně jako u chemického obrábění Nejčastější použití je iontové anizotropní leptání křemíkových slitin Rychlost obrábění křemíku iontovým paprskem je 0,7 až 1,5nm/s

Iontový paprsek - zařízení 1 – anoda 2 – depozitní vrstva 3 – elektrony 4 – ionty 5 – krycí maska 6 – katoda 7 – oscilátor 8 – obrobek 9 – voltmetr 10 – vývěva 11 – plazma 12 – přívod argonu 13 – vakuum

Iontový paprsek Reaktor se skládá ze dvou proti sobě ležících elektrod Do předem vyčerpané pracovní komory se přivádí argon Na elektrody se přivede napětí 10MHz Dojde k ionizaci Ar => plazma => pracovní cyklus zahájen

Iontový paprsek Požadavkem je vytvoření reakčního produktu (tj. uvolnění atomů z povrchu obrobku) a jeho odsátí vakuovým čerpadlem Řízeným pohybem iontů se regulují parametry anizotropního leptání Tato technologie se nazývá i plazmové iontové leptání

Iontový paprsek - využití Výroba integrovaných obvodů Polovodičů Součástí pro mikroelektroniku Leštění čoček Výroba miniaturních součástí Čištění a hlazení povrchů Přesnost 0,0001mm

Použité zdroje ŘASA, Jaroslav, Přemysl POKORNÝ a Vladimír GABRIEL. Strojírenská technologie 3. 1. vyd. Praha: Scientia, 2001, 221 s. ISBN 80-718-3227-8. Shrňte obsah prezentace zopakováním důležitých bodů z lekcí. Co si mají posluchači zapamatovat po skončení vaší prezentace? Uložte prezentaci jako video, což usnadní její distribuci. (Chcete-li vytvořit video, klikněte na kartu Soubor a na položku Sdílet. V poli Typy souborů klikněte na položku Vytvořit video.)