Статья:

ПЕРСПЕКТИВНЫЕ НАПРАВЛЕНИЯ ТЕХНОЛОГИЙ ОБРАБОТКИ МЕТАЛЛА

Конференция: XII Студенческая международная заочная научно-практическая конференция «Молодежный научный форум: технические и математические науки»

Секция: 16. Технологии

Выходные данные
Кузьмина Т.А., Примак Д.Д. ПЕРСПЕКТИВНЫЕ НАПРАВЛЕНИЯ ТЕХНОЛОГИЙ ОБРАБОТКИ МЕТАЛЛА // Молодежный научный форум: Технические и математические науки: электр. сб. ст. по мат. XII междунар. студ. науч.-практ. конф. № 5(12). URL: https://nauchforum.ru/archive/MNF_tech/5(12).pdf (дата обращения: 12.12.2019)
Лауреаты определены. Конференция завершена
Эта статья набрала 351 голос
Мне нравится
Дипломы
лауреатов
Сертификаты
участников
Дипломы
лауреатов
Сертификаты
участников
на печатьскачать .pdfподелиться

ПЕРСПЕКТИВНЫЕ НАПРАВЛЕНИЯ ТЕХНОЛОГИЙ ОБРАБОТКИ МЕТАЛЛА

Кузьмина Татьяна Александровна
магистрант 1 курса, кафедра «Технология машиностроения» ОмГТУ, РФ, г. Омск
Примак Дарья Дмитриевна
магистрант 1 курса, кафедра «Технология машиностроения» ОмГТУ, РФ, г. Омск
Масягин Василий Борисович
научный руководитель, канд. техн. наук, проф. РАЕ, ОмГТУ, РФ, г. Омск

 

Тяжелая промышленность неуклонно развивается, давая возможность эволюционировать и металлообработке, как части производственного процесса изделий для этих отраслей. Безусловно, металлообработка — сегмент и других отраслей народного хозяйства, но именно в тяжелой промышленностях ее доля наиболее ощутима.

Анализ перспектив этой отрасли дает возможность выделить три основных направления ее развития:

  • усовершенствование методов обработки металла;
  • повышение производительности и эффективности процессов;
  • создание новых металлов и материалов для металлообрабатывающего оборудования.

Наиболее перспективные методы обработки металла, позволяющие дать оптимистические прогнозы это:

  • волоконный лазер;
  • износостойкие нанопокрытия ( cvd, pvd, dlc).

Существуют и другие инновационные способы обработки поверхностей, нашедшие свою нишу и постепенно отвоевывающие позиции у менее современных методик.

Волоконный лазер.

Казалось бы, еще не так давно самым перспективным методом металлообработки считалась плазменная обработка. Потом ее сменили лазерные устройства. И вот появился волоконный лазер. Это устройство состоит из трех основных элементов: резонатора, световода и модуля накачки. Отличие данного типа лазеров от обычных заключается в наличии световода, по которому проходит лазерный луч. Световод обеспечивает сохранение мощности излучения без значительных потерь. Генерация излучения происходит в волокнах, что исключает сложные схемы заведения луча. В отличие от обычных лазеров, волоконный лазер устойчив к вибрациям.

Другим достоинством волоконного лазера является качественное охлаждение, компактные размеры устройства, устойчивость кремниевого волокна к повышенной температуре. Эти преимущества достигаются за счет маленького соотношения объема резонатора к его площади.

С помощью лазера можно осуществлять гравировку, резку и сварку металлов.

Особенно эффективны волоконные лазеры в тех отраслях, где требуется изменение оптических свойств поверхности материала без деформации внутренней структуры. Сварка нержавеющей стали для электронных и медицинских приборов, где толщина металла составляет всего десятки миллиметров — одно из наиболее частых применений этой инновации.

Надежды на то, что волоконная лазерная обработка металла в ближайшем будущем постепенно вытеснит обычную, дают следующие преимущества:

  1. меньшее энергопотребление;
  2. отсутствие необходимости в газовой среде;
  3. простота юстировки;
  4. даже на воздухе получается отличное качество обработки;
  5. отсутствие термических повреждений материала в зоне вне действия волоконного лазера;
  6. неприхотливость к условиям работы (загрязнённость, вибрации, влажность, качество газов и т. д.);
  7. необслуживаемый лазерный источник с временем наработки достигающим 100 000 часов;
  8. низкие эксплуатационные расходы;
  9. более тонкий рез, в сравнением с газовыми лазерами СО2, соответственно низкие выбросы рабочих газов и экономия металла из-за более эффективной раскладке;
  10. отсутствие эффекта расфокусировки луча из-за отсутствия потерь в световоде;
  11. низкие эксплуатационные расходы — благодаря высокому КПД, низкой стоимости и редкой замене расходных материалов, использования недорогих газов;
  12. широкий перечень применения — резка, сварка, наплавка, напыление, гравировка, маркировка, цветная маркировка, упрочнение;
  13. возможность масштабирования мощности источника лазера за счет увеличения числа кластеров светодиодов.

Пока что у этой технологии есть недостатки по сравнению с твердотельным лазером. Они заключаются в том, что в спектральном промежутке от 0,7 до 1 мкм твердотельные лазеры оказываются более эффективными. Кроме того волоконные лазеры не дают такой высокой стабильности поляризации в случаях, где использование волокон, сохраняющих поляризацию предоставляет проблемы. В этих направлениях инженерам еще предстоит работать. Однако уже сейчас волоконные лазерные технологии выигрывают в тех случаях, когда необходимо использовать длины волн, для которых отсутствуют приемлемые активные среды. Также волоконная лазерная металлообработка не требует наличия зеркал, что упрощает конструкцию и снижает погрешности при проведении различных операций.

С учетом всего вышесказанного есть все основания полагать, что эта технология в скором времени найдет свое применение в двух — и трехмерной сварке, наплавлении металлов, повышении прочности, металлозащите и др.

Нанопокрытия с высокой износостойкостью.

Упрочнение поверхностного слоя изделий при одновременной тонкости упрочняющего слоя — та область, которая начала развиваться еще в семидесятых годах прошлого века и не останавливается в своем прогрессе до сих пор. Поэтому можно ожидать, что в ближайшем будущем, а именно — в течение грядущего десятилетия, возникнут новые покрытия. Уже сегодня активно набирают обороты применения технологий такого типа (нанопокрытий), в частности, Сhemical Vapor Deposition (CVD), Physical Vapor Deposition (РVD) и Diamond Like Coatings (DLC).

Сhemical Vapor Deposition — процесс получения покрытия, обладающего высокой устойчивостью к износу, путем химического осаждения из парогазовой среды. Осуществляется этот процесс при температурах порядка 1000°С. Технология CVD используется в первую очередь для получения режущих инструментов с повышенной стойкостью к истиранию. Сегодня, в отличие от первых разработок, CVD — покрытия многослойные, что позволяет улучшить адгезию и не снижать прочность основного металла режущего инструмента. Первый слой таких покрытий состоит из карбида титана, второй — из оксида алюминия, третий — из нитрида титана. Оксид алюминия (аналог корунда) служит для уменьшения воздействия высоких температур на поверхность, ухудшающего физические качества металла основы.

Конденсация с ионной бомбардировкой (КИБ), или Physical Vapor Deposition (РVD) также появилась в прошлом веке, но на десять лет позже, чем химическая конденсация. Это покрытие состоит из TiN (нитрида титана). Способ, применяемый в металлообработке РVD, позволил избавиться от недостатков, которые присущи CVD — обработке. Таким образом, получаются покрытия, которые не только обладают высокой адгезией, но и могут наноситься на режущие кромки. Среди достоинств этих покрытий можно назвать также меньшую температуру, при которой происходит процесс нанесения (около 500°С). Кроме того, карбидно-титановые нанопокрытия могут обладать большей толщиной и применяться как на быстрорежущих, так и на других видах сталей. Наиболее перспективным нанопокрытием сейчас можно считать покрытие TiNAl.

Разновидностью PVD-покрытий является Diamond Like Coatings. При создании таких нанопленок используется не титан, а углерод. По своей структуре эти пленки сходны с алмазом и обладают высокой устойчивостью к истиранию, которая превышает в 50 раз другие вышеописанные методы. Но из-за неустойчивости к окислению и низкой температурной стабильностью при температурах, превышающих 300°С, применение PVD в металлообработке ограничено инструментом, предназначенным для резки силумина и алюминия. Возможно, в ближайшие годы инженеры-технологи найдут способы преодоления этих недостатков.

Другие перспективные методы металлообработки.

Среди технологий, которые становятся все более популярными и имеют перспективы в металлообработке, можно назвать такие как газотермическое напыление керамических, металлических и композиционных покрытий; плазменная модификация, повышающая твердость, антикоррозионные свойства и износостойкость низкоуглеродистых сталей; вакуумное упрочняющее покрытие, наносимое способом ионно-плазменного напыления; высокочастотное плазменное напыление и т. д. С появлением новых материалов и удешевлением производства аппаратуры, эти способы также могут занять достойное место в металлообрабатывающей отрасли.

 

Список литературы:

  1. Металлообработка — 2014: перспективы технологий обработки металла // электронное корпоративное издание НПП Русмет: http://www.npprusmet.ru.