Методы нагрева при термической обработке

Мы уже обсуждали трудности обработки металлов, которые возникают из-за взаимодействия инструмента и заготовки, вызывающего значительную пластическую деформацию и интенсивное трение. В связи с этим термическая обработка оказалась эффективной альтернативой традиционным методам работы с такими материалами.

Сегодня мы сосредоточимся на методах нагрева, применяемых в термической обработке труднообрабатываемых металлов.

Термическая обработка была внедрена для решения проблем, связанных с сроком службы инструментов, целостностью поверхностей и изменением механических свойств заготовок.

С теоретической точки зрения, прочность и твердость металла уменьшаются с повышением температуры. Нагрев металла до температуры ниже температуры деформации способствует его смягчению и снижению твердости и прочности без значительных изменений свойств после охлаждения до комнатной температуры. Эта теория применима ко всем процессам горячей обработки, таким как горячая ковка, горячий изгиб и горячее тиснение.

Методы индукции тепловой энергии в заготовку приводят к различному распределению температуры.

В процессе обработки применяется тепловая индукция с использованием нагревательного змеевика.

Оксиацетиленовое пламя – один из способов нагрева заготовки. Для микрообработки предпочтительнее использовать концентрированные и компактные источники тепла, такие как плазма и лазер.

В последние годы плазменная и лазерная обработки стали наиболее перспективными методами нагрева в термообработке.

Лазерный и плазменный лучи обеспечивают лучшее управление распределением тепла. Сфокусированная и ограниченная площадь нагрева и простота управления параметрами сканирования минимизируют тепловое воздействие на заготовки.

При термической обработке на токарных станках тип источника тепла не оказывает значительного влияния на производительность по сравнению с термическим фрезерованием. При токарной обработке область нагрева вращается с высокой скоростью, что позволяет многократно нагревать её, подобно вращению точки через зону фокусировки лазерного или плазменного луча. Температура постепенно повышается, и изменения температуры во время резки становятся менее заметными. В отличие от этого, при термическом фрезеровании источник тепла перемещается вместе с инструментом, и эффективность нагрева зависит от параметров сканирования, расстояния между лазерным лучом и режущим инструментом, а также от размера пятна.

Область резания нагревается однократно, и теплопроводность вместе с конвекцией существенно влияют на распределение температуры. Применение лазерного луча в качестве источника тепла значительно изменяет температурные характеристики. В целом, для процесса нагрева предпочтительнее использовать лазерный луч с непрерывными волнами и гауссовым распределением, так как это позволяет равномерно нагревать заготовку и уменьшает вероятность термических ударов. При использовании импульсного лазера на заготовке происходит чередование нагрева и охлаждения, что может привести к затвердеванию материала и негативно повлиять на эффективность обработки.

Поэтому важно учитывать метод предварительного нагрева и его влияние. Исследованы различные источники тепла, такие как диодные лазеры и эксимерные лазеры.

Лазер с длиной волны 10,6 мкм обеспечивает отличное поглощение, особенно на керамических материалах, которые часто используются. Однако у него есть ограничения: требуется метод передачи луча через зеркало, и он менее гибок по сравнению с монолитными лазерами, работающими с волоконно-оптическими кабелями.

Рассмотрим различные источники предварительного нагрева и их характеристики:

• Лазер: обладает высокой концентрацией тепла и точным контролем теплового источника, но требует дорогостоящего оборудования и демонстрирует низкую скорость поглощения на различных материалах.
• Индукционная катушка: удобна в использовании и эффективна для подогрева, однако имеет ограничения по концентрации тепла и ограниченную подвижность инструмента.
• Газопламенный источник тепла: имеет низкие начальные затраты, но не подходит для подогрева с высокой концентрацией.
• Плазма: обеспечивает высокую концентрацию тепла, но точный контроль труден.
• Электричество: простое в эксплуатации оборудование с равномерным распределением тепла, но также сложно контролировать с точностью.

Таким образом, для создания удобной машины с приоритетом на концентрацию тепла, лазер является наиболее оптимальным выбором по сравнению с другими источниками тепла.