4.5. Электрофизические и электрохимические методыобработки деталей

Электрофизические и электрохимические методы обработки применяют для обработки труднообрабатываемых, прочных, хрупких и многих других материалов, обработка которых обычными механическими методами затруднена или невозможна. К таким материалам относятся полупроводниковые материалы, кварц, рубин, ферриты, твердые сплавы и др. В зависимости от используемого физического процесса эти методы обработки материалов условно могут быть разделены на ультразвуковые, электроэрозионные, лучевые, электрогидравлические, магнитоимпульсные, электрохимические.

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.

Электроэрозионный метод обработки токопроводящих материалов 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 анодно-механическую. Каждой разновидности электроэро­зионной обработки свойственны определенные технологические характеристики, оборудование и область промышленного применения.

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 энер гии. Съем материала осуществляется преобразованием этой энергии непосредственно в зоне обработки в теплоту.

Электрогидравлическая обработка материалов представляет собой одну из форм механического воздействия на материал. Интенсивный электрический разряд в жидкости приводит к сильному гидравлическому удару, под воздействием которого обрабатываемый материал может деформироваться и при известных условиях разрушаться или изменять первоначальную геометрическую форму. Электрогидравлический эффект используется в промышленности преимущественно для дробления крупных материалов, очистки литья от формовочной земли и штамповки.

Магнитоимпульсная обработка материалов основана на использовании энергии сильного импульсного магнитного поля. Особо широкое применение магнитоимпульсная обработка находит для формообразования малопластичных, труднодеформируемых материалов, вырубки и штамповки и многих сборочных операций.

Электрохимические методы обработки материалов основаны на преобразовании электрической энергии в энергию химических связей, т. е. на превращении металла заготовки в легко удаляемые из зоны обработки химические соединения (анодное растворение). Электрохимическая обработка имеет две разновидности: обработка в среде проточного электролита и электроабразивная. В последнем случае происходит комбинированный электрохимический и механический съем металла.

Рассмотрим более подробно электроискровой, ультразвуковой и лучевой методы обработки как наиболее используемые при производстве изделий ЭА.

На рис. 4.25 приведена схема электроискровой обработки, основанная на обработке металлов импульсами электрического тока.

Электрические разряды, которые возникают между двумя электродами, находящимися на небольшом расстоянии друг от друга, разрушают их поверхности. Одним электродом с положительным потенциалом является обрабатываемая заготовка 3, а другим электродом является инструмент 1.

Рис. 4.25. Схема электроискровой установки с генератором:1 - инструмент-катод; 2 - рабочая жидкость; 3 - обрабатываемая деталь - анод; 4 - источник постоянного тока

Обработка детали заключается в следующем. Конденсатор С заряжается через сопротивление R от источника постоянного тока напряжением 100...200 В. При достижении на подключенных параллельно конденсатору электродах 1 и 3напряжения, равного пробойному, образуется канал сквозной проводимости, через который осуществляется разряд всей энергии, накопленной конденсатором. Прохождение тока через эрозионный промежуток прекращается после деионизации объема жидкости 2, заключенного между электродами.

Рис. 4.26.Схема прорезки пазов электродом-проволокой 

Параметры схемы релаксационного генератора существенно влияют на характеристики процесса. При увеличении емкости С запас энергии, накапливаемой в конденсаторе, увеличивается, поэтому увеличивается и объем эрозионной лунки и, следовательно, производительность. Повышение сопротивления увеличивает время зарядки конденсатора и длительность эрозионного цикла. Поэтому для повышения производительности целесообразно уменьшать сопротивление, однако при уменьшении сопротивления ниже определенного значения эрозионный процесс становится неустойчивым вследствие срыва релаксации и перехода в дуговой.

При электроискровом методе 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.

Форма обрабатываемой поверхности (отверстия) зависит от формы электрода-инструмента. Прорезка пазов в материале осуществляется по схеме, представленной на рис. 4.26. Инструментом в такой установке является бронзовая проволока 1диаметром (0,1...0,15) мм, размещенная на роликах 2. К проволоке подводится отрицательный потенциал, и она в процессе обработки медленно перемещается, обновляя инструмент относительно заготовки 3. Заготовка установлена в ванне с диэлектрической жидкостью 4 и к ней подведен положительный потенциал. Заготовка медленно подается на проволочный электрод до появления электроискровых разрядов, которые разрушают материал заготовки. Таким образом получают маски-шаблоны при производстве тонкопленочных микросхем.

Для повышения производительности суспензию следует прокачивать через зазор между инструментом и обрабатываемым слитком, так как абразивные зерна постепенно разрушаются и их необходимо заменять. В качестве суспензии используют воду с абразивными зернами. Кавитация (схлопывание образо­вавшихся воздушных пузырьков в жидкой среде) ускоряет процесс обработки.

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 окисной пленки, основанный на ее механическом разрушении интенсивными ультразвуковыми колебаниями (рис. 4.27, а). 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, обладающие 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 облуживаются только отдельные зачищенные места поверхности.

На частоте 18...23 кГц окисная пленка наиболее эффективно удаляет­ся при интенсивности ультразвуковых колебаний 25... 100 Вт/см². Зона такой интенсивности из-за относительно высокой вязкости припоя распространяется от излучающей поверхности преобразователя не далее 3 мм. В этой зоне можно получить эффективное лужение в течение 0,1 с при условии, что поверхность детали была предварительно нагрета до температуры расплавленного припоя.

Рис. 4.27. Схема ультразвуковой пайки и лужения:а - схема пайки: 1 - оксидная пленка; 2- контакт расплавленного припоя с чистым ме­таллом; 3 - жало паяльника; 4 - расплавленный припой; 5 - затвердевший припой; б - остатки окислов; 7 -смешанный слой припоя с чистым металлом; 8 - чистый металл; 6 -схема ванны лужения: / -преобразователь; 2 -концентратор-трансформатор скорости; 3 - расплавленный припой; 4 - ванна

При уменьшении интенсивности ультразвуковых колебаний продолжительность удаления пленки увеличивается до 1 с. Более длительное воздействие кавитации разрушает поверхности обрабатываемого изделия, а в некоторых случаях приводит к растворению изделия в припое.

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, полупроводник овые 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, зонной очистки и сварки до механической обработки. В ряде случаев, когда для обработки особо миниатюрных деталей изготовление инструмента практически неосуществимо (например, для отверстий диаметром 5...10 мкм), лучевая обработка является единственно возможной.

Оба метода позволяют проводить такие операции, как разрезку материалов, получение фасонных поверхностей и т. д. При этом, поскольку инструментом является сфокусированный луч, вопрос об износе инструмента так же, как и об ошибках, связанных с этим износом, полностью снимается.

При обработке электронным лучом расплавление и испарение происходит за счет повышения температуры материала при резком торможении потока электронов в месте встречи его с обрабатываемой поверхностью. Для получения мощного потока электронов электронный пучок, эмитируемый вольфрамовым катодом в электронной пушке, ускоряется напряжением, приложенным между катодом и анодом, юстируется и фокусируется при помощи системы магнитных линз. Стигматор придает лучу круглую форму, а перемещение луча по поверхности изделий осуществляется отклоняющей системой. Кроме того, изделие, закрепленное на координатном столике, само может перемещаться относительно луча. Все устройство находится в вакуумной камере. Энергия луча (в электрон-вольтах) пропорциональна заряду электронов, их количеству и величине ускоряющего напряжения.

Обработка световым лучом имеет ряд преимуществ: для обработки не требуется создания вакуума, при котором значительно труднее управлять технологическим процессом; нет рентгеновского излучения, сопутствующего обработке электронным лучом; лазерные установки конструктивно проще электронных пушек; в некоторых случаях механическая обработка может осуществляться за прозрачной преградой (например, в запаянной колбе).

Главным недостатком обработки световым лучом является отсутствие надежных методов управления движением луча по обрабатываемой поверхности, поэтому при обработке перемещается сама деталь.