§ 24. Современные технологии обработки материалов

Создание новых технологий всегда связано, с одной стороны, с возникновением у людей новых потребностей, а с другой стороны, с уровнем развития науки, который даёт возможность развивать технику. Например, бурное развитие техники в конце XX в. требовало использования всё большей энергии, а успехи атомной и ядерной физики XX в. открыли возможность для появления новых источников энергии. В результате с середины XX в. началось строительство атомных электростанций.

Какие промышленные предприятия есть в вашем регионе? Что они производят? Люди каких профессий на них работают?

Для обеспечения человечества необходимыми продуктами труда: изделиями и энергией – используются сложные технологические системы, входящие в промышленные предприятия, которые образуют промышленность страны.

Для работы промышленности необходимо использовать специальные знания, которые называются промышленными технологиями. Наиболее важными промышленными технологиями являются следующие.

Технологии металлургии включают в себя знания о процессах получения металлов и сплавов из руд и других материалов, а также о процессах, связанных с изменениями состава и свойств металлических материалов (рис.1). Разновидностями технологий металлургии являются технологии получения стали, меди, бронзы.

Рис.1. Использование технологий металлургии:

а – добыча железной руды;  б – процесс литья алюминия

Машиностроительные технологии включают разработку процессов конструирования и производства различных машин, приборов, проектирования машиностроительных заводов и организации производства на них (рис. 2).

Рис. 2. Использование машиностроительных технологий:

а – сборочный конвейер на автомобильном заводе;

б – автоматическая линия на машиностроительном заводе

Энергетические технологии – технологии производства, передачи и использования различных видов энергии, в первую очередь электрической. Современная техника позволяет осваивать новые, поистине неисчерпаемые источники энергии: солнечной, ветровой, энергии морских и океанских приливов и отливов (рис. 3).

Рис. 3. Использование энергетических технологий:

а – Красноярская гидроэлектростанция;

б – линии электропередачи

Биотехнологии – технологии использования живых организмов или продуктов их жизнедеятельности для решения технологических задач, а также создания живых организмов с необходимыми свойствами (рис. 4). Всемирная известность к шотландскому ученому, обладателю докторских степеней в медицине, биологии и генетике сэру Иэну Уилмуту пришла в 1997 году – с явлением миру первого в мире клонированного из взрослой клетки животного, которое окрестили овечкой Долли. Эксперимент команды исследователей под его руководством доказал, что для создания копий животных – их клонов могут быть использованы не только половые или стволовые, но также соматические клетки, то есть обычные.Биотехнологии с давних пор используются, например, для получения молочных продуктов.

Рис. 4. Использование биотехнологий: первое клонированное животное – овечка Долли с сэром Иэн Уилмут

Биотехнологии используются в медицине для создания новых лекарств. Так, первый антибиотик — пенициллин — был создан в 1928 г. британским учёным Александром Флемингом (1881—1955) на основе продуктов жизнедеятельности плесневых грибов. До этого открытия десятки тысяч людей умирали от болезней, которые сейчас успешно лечат антибиотиками.

Технологии производства продуктов питания – технологии, связанные с производством, обработкой продуктов сельского хозяйства и получения из них продуктов, пригодных для питания человека (рис. 5).

Рис. 5. Использование технологий производства продуктов питания:

а – линия по производству мороженного;

б – производство кондитерских изделий

Космические технологии – технологии, связанные с запуском объектов или живых существ в космос, спуском на Землю и с непосредственной работой в космосе. Эти технологии используются при создании космической техники.

Космической техникой являются все космические аппараты, в том числе спутники, космические телескопы, межпланетные автоматические станции, орбитальные станции, а также оборудование, которое на них расположено (рис. 6). Ракеты-носители, спускаемые аппараты и прочая техника, обеспечивающая работу космических аппаратов, но постоянно не работающая в космосе, также относится к космической технике. В конце XX в. началось промышленное освоение космоса. Кроме использования привычных уже спутников связи, сейчас на космических станциях при меняют уникальные биотехнологии, выращивают кристаллы. Учёные и инженеры изучают возможности строительства космических электростанций и промышленного освоения Луны для добычи на ней сырья, например железа, алюминия, титана, а также гелия, который может использоваться как топливо для перспективных атомных электростанций.

Рис. 6. Космические технологии:

а – Международная космическая станция;

б – Центр космической связи «Дубна»

Электрофизические и электрохимические методы

Под электрофизическими и электрохимическими методами размерной обработки понимается совокупность электрических, электрохимических, электромагнитных и ядерных процессов воздействия на твердое тело для придания ему заданной формы и размеров. Эти процессы действуют в различных сочетаниях с тепловыми, механическими и химическими процессами.

Электрофизические и электрохимические методы используются для формообразования поверхностей заготовок из труднообрабатываемых материалов (весьма вязких, твердых и очень твердых, керамических, металлокерамических) и позволяют обрабатывать сложные фасонные внешние и внутренние поверхности, отверстия малых диаметров и т. д.

Эти методы можно разделить на 6 групп:

• электроэрозионные,
• лучевые,
• ультразвуковые
• электрохимические,
• плазменная обработка,
• формование в магнитном поле.

1. Электроэрозионные методы обработки применяют для всех токопроводящих материалов. Эти методы основаны на явлении электрической эрозии, т.е. разрушение поверхности электродов электрическим разрядом, проходящим между ними. Разрушение материала происходит путем его плавления с последующим выбросом из рабочей зоны в виде парожидкостной смеси. Основными методами электроэрозионной обработки являются электроискровая и анодно-механическая. Для этих методов характерны наличие жидкой диэлектрической среды между электродами и подачи энергии в форме импульсов. Жидкая среда повышает эффективность разрушения металла и является средством эвакуации продуктов эрозии из зоны обработки.

Электроэрозионный  метод обработки токопроводящих металлов и сплавов основан на использовании преобразуемой в теплоту энергии импульсных электрических разрядов, возбуждаемых между инструментом и изделием. В зависимости от вида электрического разряда (искра, дуга), параметров импульсов тока, напряжения и других условий электроэрозионная обработка подразделяется на электроискровую, электроимпульсную, электроконтактную и анодо-механическую. Каждой разновидности электроэрозионной обработки свойственны определенные технологические характеристики, оборудование и область промышленного применения.

При электроискровом метоле обработки применяют импульсы длительностью 20…200 мкс. Электрическая эрозия проявляется наиболее интенсивно, если межэлектродное пространство заполнено диэлектрической жидкостью. В качестве такой жидкости используют керосин, минеральное масло, водные растворы электролитов и дистиллированную воду.

2. Лучевой метод обработки, к которому относится обработка световым, электронным и ионным лучами, используют для обработки токопроводящих материалов и диэлектриков. Они основаны на съеме материала при воздействии на него сфокусированными лучами с высокой плотностью энергии. Съем материала осуществляется преобразованием этой энергии непосредственно в зоне обработке в теплоту.

Высокая плотность энергии сфокусированного электронного луча так же, как и светового луча лазера, позволяет проводить размерную обработку за счет нагрева и испарения материала с узколокального участка. Для этих методов характерна практическая независимость обрабатываемости материала от механических характеристик, поэтому как металлы, так и неметаллические материалы (магнитные материалы, керамика, полупроводниковые материалы, легированные стали и ферриты, твердые сплавы, корунд и т.д.) обрабатываются одинаково успешно.

Возможность точного дозирования энергии луча позволяет осуществлять широкий круг технологических процессов от местной термообработки, ионной очистки и сварки до механической обработки. В ряде случаев, когда для обработки особо миниатюрных деталей изготовление инструмента практически неосуществимо (например, для отверстий диаметром 5…10ики), лучевая обработка является единственно возможной.

3. Ультразвуковой метод обработки заключается в механическом воздействии на материал. Он назван ультразвуковым благодаря тому, что частота ударов соответствует диапазону неслышимых звуков, т.е. выше 16 кГц. Ультразвуковым методом можно обрабатывать твердые и хрупкие материалы, частицы которых могут, как бы выкалываться при ударе.

Широко используют ультразвуковую очистку деталей. Ультразвуковые колебания, накладываемые на жидкость для очистки деталей, особенно малогабаритных и имеющих сложную конфигурацию, резко повышают скорость и качество очистки.

Для пайки алюминия и его сплавов применяют способ удаления окисленной пленки, основанный на ее механическом разрушении интенсивными ультразвуковыми колебаниями. При этом осуществляется процесс ультразвукового лужения. Сущность явлений, происходящих при ультразвуковом лужении, заключается в следующем. Излучаемые рабочей частью паяльника знакопеременные упругие колебания частотой 16…22 кГц вызывают периодические растяжения и сжатия частиц жидкого припоя. В результате чего образуются кавитационные процессы в расплавленном припое. При этом возникают большие ударные импульсы, воздействующие на жидкий припой и поверхность облуживаемых деталей и вызывающие разрушение окисной пленки. Раздробленные частицы окисной пленки, обладают меньшей плотностью, всплывают на поверхность припоя, и он беспрепятственно облуживает очищенную поверхность металла.

Процесс ультразвукового лужения позволяет облудить всю обрабатываемую поверхность, с которой сняты окисные пленки, в то время как при механическом удалении окисной пленки обслуживаются только отдельные зачищенные места поверхности.

4. Электрохимические методы обработки материалов основаны на преобразовании электрической энергии в энергию химических связей, на превращении материала заготовки в легко удаляемые из зоны обработки химические соединения (анодное растворение). Электрохимическая обработка имеет две разновидности: обработка в среде проточного электрона и электроабразивная. В последнем случае происходит комбинированный электрохимический и механический съем металла.
5.  Плазмой называют ионизированный газ, перешедший в это состояние результате нагрева до очень высокой температуры или в следствии столкновении частиц газа с быстрыми электронами (в газовом разряде). При этом молекулы распадаются на атомы, от которых отрываются электроны и возникают ионы. Последние ионизируют газ и делают его электропроводным. Однако не всякий ионизированный газ можно назвать плазмой. Необходимым условие существования плазмы является ее электрическая квазинейтральность, т.е. она должна содержать в единице объема примерно равное количество электронов и положительно заряженных ионов. Наряду с ними в плазме может находиться некоторое количество неионизированных атомов или молекул.

На плазму могут воздействовать магнитные и электрические поля.

Внешнее магнитное поле позволяет сжимать струю плазмы, а также управлять ею (отклонять, фокусировать).

Большая степень ионизации обуславливает высокую температуру газоразрядной плазмы которая может достигать 5000˚С и выше. Свойство плазмы можно изменять путем применения различных газов (азота, карбона, водорода, гелия и др.).

Основным методом получения плазмы для технологических целей является пропускание струи сжатого газа через пламя электрической дуги. Современные плазменные горелки делят на горелки прямого действия (с внешней дугою) и косвенного действия (с внутренней дугой).

В качестве рабочего газа наиболее часто используют аргон, который ионизируется. Напряжение зажигания и рабочее напряжение при этом не большие и электрическая дуга получается стабильной и инертной. При использовании в качестве рабочего газа гелия скорость истечения при t=10000…15000˚С приблизительно равна звуковой. Плазменная грелка рассматриваемого типа потребляет мощность 50кВт и создает концентрацию мощности плотностью 3мВт/дм².

Обычно промышленные технологии состоят из нескольких частей, которые называются производственными технологиями. Например, на электростанциях получают электрическую энергию. Для этого используют технологии производства электроэнергии. С помощью линий электропередачи электроэнергия передаётся потребителям. При этом используют технологии передачи электроэнергии. Затем электроэнергия может использоваться для освещения и обогрева помещений. Здесь применяются технологии использования электроэнергии. Таким образом, промышленные энергетические технологии состоят из следующих производственных технологий: производства, передачи и использования электроэнергии.

Основные понятия и термины:

промышленные технологии, производственные технологии, технологии металлургии, машиностроительные технологии, энергетические технологии, биотехнологии, технологии производства продуктов питания, космические технологии; электрофизические и электрохимические методы: электроэрозионные, лучевые, ультразвуковые, электрохимические, плазменная обработка.

? Вопросы и задания

1. Какие промышленные технологии вам известны?

2. Что включают в себя технологии металлургии?

3. Чем отличаются промышленные технологии от производственных технологий? Приведите примеры.

Задание 1

Найдите в Интернете примеры использования биотехнологий и проанализируйте их влияние на окружающую среду.

Задание 2

        Поиск информации в Интернете о современных технологиях обработки материалов: ультразвуковая резка и ультразвуковая сварка; лазерное легирование, лазерная сварка, лазерная гравировка; плазменная наплавка и сварка, плазменное бурение горных пород ...

Задание 3

Найдите в Интернете информацию о предприятиях вашего региона и профессиях людей, которые на них работают. Составьте таблицу.

Таблица. Предприятия моего региона

Создайте на своём компьютере папку «Предприятия моего региона» и сохраните эту информацию в ней.