F YZIKÁLNÍ METODY OBRÁBĚNÍ

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

2. 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

3. 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

4. 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)

5. 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

6. 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

7. 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

8. 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

9. 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)

10. 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

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

12. Plazma – plazmový hořák • V něm dochází k přeměně elektrické energie na tepelnou energii usměrněného proudu plazmy • Důležitý parametr plazmového hořáku jestabilizace elektrického oblouku

13. Plazma – stabilizační médium • Plazmové hořáky s plynovou stabilizací • Plazmové hořáky s vodní stabilizací

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

15. 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

16. 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

17. Plazmový hořák –s plynovou stabilizací s NEtransferovýmobloukem • 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

18. 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

19. 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

20. 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

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

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

23. Řezání plazmou

24. Řezání plazmou – s plynovou stabilizací

25. 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

26. 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

27. 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%

28. Obrábění - soustružení

29. Obrábění - hoblování

30. Obrábění - frézování

31. 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

32. 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.

33. 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.

34. Elektronový paprsek - princip 1 – elektronový paprsek 2 – páry odpařeného kovu

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

36. Elektronový paprsek - zařízení

37. 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

38. 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

39. 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)

40. 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.

41. 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

42. 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

43. 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

44. 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

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

46. Použité zdroje ŘASA, Jaroslav, Přemysl POKORNÝ a Vladimír GABRIEL. Strojírenská technologie 3. 1. vyd. Praha: Scientia, 2001, 221 s. ISBN 80-718-3227-8.