Электроконтактной обработки заготовок

1. Общие сведения о технологических процессах электроконтактной обработки

Электроконтактная обработка основана на использовании тепла, выделяющегося ври прохождении электрического тока через место контакта инструмента с деталью. Степень теплово­го воздействия при электроконтактной обработке различна и (в за­висимости от технологического процесса) вызывает либо расплав­ление материала, либо только его нагрев. Электроконтактную обработку проводят при прямой полярности.

Наиболее эффективно электроконтактная обработка исполь­зуется для черновых и получистовых операций, таких как разрезка, очистка проката от окалины, обдирка и сглаживание поверхностей заготовок из труднообрабатываемых материалов, интенсификация процессов резания.

При электроконтактном методе импульсы тока формируются непосредственно в промежутке.

Схема электроконтактного метода обработки резанием ме­таллическим диском (инструментом) осуществляется по схеме, приведеной на рис. 1.10.

Рис. 1.10. Схема электроконтактного метода обработки резанием

Процесс протекает в диэлектрике 2. Поверхности электрода- инструмента 1 и заготовки 3 не являются идеально гладкими - на них имеются неровности. Вращающийся инструмент прижимается с небольшим усилием Р к заготовке. К инструменту и заготовке подключен источник переменного или постоянного тока напряже­нием до 40 В и током до 3000 А.

В месте контакта вращающегося инструмента и заготовки из- за неплотного их контакта образуется повышенное электрическое сопротивление, вызывающее значительное выделение тепла при прохождении тока.

При вращении инструмента контакт его с заготовкой перио­дически прерывается, вследствие чего возникает нестационарный электрический разряд, приводящий также к значительному выде­лению тепла.

Выделение тепла происходит также в результате трения по­верхности инструмента и заготовки. При увеличении усилия при­жима доля тепла, выделяющегося в результате трения, возрастает.

Таким образом, при электроконтактной обработке тепло вы­деляется по трем причинам:

• в результате прохождения тока через место контакта;

• вследствие нестационарных электрических разрядов;

• в результате трения поверхности заготовки и инструмента. В зависимости от соотношения параметров процесса (напряжения, тока, усилия прижима, окружной скорости инструмента) преобла­дает тот или иной механизм выделения тепла.

Выделившееся тепло приводит к расплавлению металла в зо­не контакта и к его частичному испарению. Жидкий металл увле­кается вращающимся диском и удаляется из зоны обработки. Что­бы предотвратить плавление инструмента, ему придают большую скорость вращения. Так, окружная скорость диска достигает 40 м/с.

Производительность резки диском достигает 40 ООО мм²/мин при высоте микронеровностей /?_г = 160...80.

По мере съема металла с заготовки электрод-инструмент пе­ремещают в зависимости от схемы обработки либо вдоль обраба­тываемой поверхности (шлифование), либо по нормали к ней (раз­резание) со скоростью и„.

Если процесс протекает в воздушной среде, то возникают бо­лее длительные дуговые разряды, чем при процессе в жидкости, так как после контакта между инструментом и заготовкой дуга мо­жет гореть довольно длительное время. При этом расплавленный металл может достигать противолежащей поверхности и там за­стывать, т. е. могут протекать одновременно два процесса - раз­мерный съем и наращивание металла. Под действием тепла дуги выплавляются большие участки заготовки, процесс происходит ин­тенсивно и сопровождается сильным световым излучением.

2. Применение электроконтактной обработки

Электроконтактная резка сопровождается значительным шумом и разбрызгиванием расплавленного металла. Другой суще­ственный недостаток электроконтактной резки - наличие дефект­ного слоя толщинЫ! до 0,3 мм.

Шероховатость поверхности при электроконтактном обди­рочном шлифовании и разрезании на воздухе К- = 150...400 мкм.

Электроконтактная очистка от окалины стальных листов осуществляется по схеме рис. 1.11. При контактировании стальной щетки 1 с поверхностью листа 2, покрытого слоем окалины, ток, проходящий через зону контакта, расплавляет окалину. Расплав­ленная окалина сметается вращающейся щеткой. Ток в цепи дости­гает 500 А при напряжении до 16 В. Производительность такой очистки достигает 100 000 мм²/мин.

Рис. 1.11. Схема электроконтактной очистки от окалины

Сглаживание микронеровностей поверхности производит­ся с помощью ролика или специальной гладилки, перемещающейся под давлением по обрабатываемой поверхности. Ток, проходящий в месте контакта, вызывает только местный разогрев микронеров­ностей обрабатываемой поверхности и облегчает их деформацию. Для этих процессов используют переменное напряжение до 3 В, исключающее возникновение электрических разрядов. Для предот­вращения сильного разогрева инструмента его искусственно охла­ждают.

Интенсификация процессов резания - одна из областей применения электроконтактной обработки, при которой тепловое действие электрического тока вызывает только нагрев металла без его расплавления. Дополнительный нагрев заготовки в месте кон­такта с инструментом, например, при точении токарным резцом, значительно снижает силы резания и увеличивает производитель­ность обработки. Особенно эффективен этот процесс при обдирке заготовок из труднообрабатываемых материалов. При этом исполь­зуется переменное напряжение до 6 В, ток достигает 500 А.

4. Физические основы технологических процессов плазменной обработки заготовок

1. Общие сведения о плазменной обработке

В 1802 г. профессор Санкт-Петербургской медико-хирурги­ческой академии В. В. Петров впервые получил электрический дуговой разряд. Этот мощный высокотемпературный источник энергии нашел затем широкое применение в технике как источ­ник света, а также для плавки и сварки металлов, химического синтеза и т. д.

Дальнейшие исследования показали, что любое вещество при достаточно сильном нагревании испаряется, превращаясь в газ. Ес­ли и дальше повышать температуру, то молекулы его начнут рас­падаться на атомы, которые при дальнейшем нагреве превращают­ся в ионы. Этот процесс называется термической ионизацией. В дуговом промежутке вещество находится в особом состоянии, где наряду с нейтральными молекулами и атомами имеются заряжен­ные частицы - ионы и электроны. Эти заряженные частицы обес­печивают прохождение электрического тока через газ и придают ему ряд ценных с практической точки зрения свойств.

В 1923 г. американские физики Л. Тонкс и И. Ленгмюр пред­ложили называть плазмой частично или полностью ионизиро­ванный газ, в котором плотности положительных и отрица­тельных зарядов практически одинаковы.

Плазма является состоянием вещества, наиболее распростра­ненным в космосе. Она может быть также получена искусственно самыми различными физическими способами.

Плазму чаще всего получают при осуществлении электрофи­зических процессов:

.. - в электрическом дуговом разряде;

• высокочастотном электрическом поле;

• с помощью энергии лазерного излучения и т. д.

Физические свойства плазмы и, прежде всего, высокие значе­ния температуры, энтальпии и электропроводности привлекают к ней внимание как к уникальному явлению, позволяющему осуще­ствлять ряд интересных физических и технических проектов.

2. Получение плазмы для технологических целей

В промышленности для технологических целей используют низкотемпературную плазму с температурой 10 000-50 000 К.

Для получения плазмы используют дуговой разряд постоян­ного тока, который сжимают с помощью газа или магнитного поля. Сжатие электрической дуги позволяет значительно повысить ее температуру по сравнению с обычным дуговым разрядом. Газ, со­прикасаясь с дугой, переходит в плазменное состояние.

Для получения плазмы, используемой в технологических целях, разработан целый ряд специальных устройств, называемых плазмотронами, или плазменными горелками. Наиболее распро­странены плазмотроны, в которых нагрев газа до необходимой температуры осуществляется электрическим дуговым разрядом.

Стабилизация дуги в плазмотроне может осуществляться ак­сиальным потоком газа 1, создающим слой 2, ограничивающий столб дугового разряда (рис. 1.12, а).

а б в

Рис. 1.12. Виды стабилизации дуги в плазмотроне

При тангенциальной подаче газа в дуговую камеру плазмо­трона стабилизация достигается за счет вихревого потока 1 плаз­мообразующего газа (рис. 1.12, б).

Весьма эффективным способом стабилизации дугового разря­да в плазмотроне и повышения его удельных энергетических ха­рактеристик является ограничение диаметра столба дугового раз­ряда охлаждаемой стенкой. Обычно эта стенка выполняется в виде медного водоохлаждаемого сопла 1 сравнительно небольшого диа­метра, ограничивающего наружный диаметр дуги 2 (рис. 1.12, в).

В реальных условиях в плазмотроне может применяться сразу не­сколько способов стабилизации столба дугового разряда.

Плазмообразующий газ, используемый в плазмотроне, в зна­чительной мере определяет технологические возможности плаз­менной струи, и его нужно выбирать в зависимости от цели про­цесса. Наиболее широко в качестве плазмообразующих газов рас­пространены аргон, гелий, азот, водород, кислород и воздух.

Молекулярные газы (N2, Н₂, 0₂ и воздух) позволяют увели­чить эффективность нагрева за счет реакций диссоциации-ассоциа­ции. В столбе дугового разряда молекулы диссоциируют по сле­дующим схемам:

Н₂ + 431,57 кДж/моль—» 2 Н;

N2 + 942,75 кДж/моль -у 2 Ы;

2. + 502,80 кДж/моль —>2 О.

При этом происходит дополнительное поглощение теплоты в столбе дугового разряда. При попадании на обрабатываемую по­верхность плазмообразующий газ ассоциирует (превращается из атомного в молекулярный); при этом выделяется теплота, затра­ченная на его диссоциацию.

Плазменные устройства широко применяются в промышлен­ности для осуществления различных технологических процессов, где необходимо производить как нагрев газа или подаваемого в плазменный поток вещества, так и нагрев отдельных деталей или конструкций.

При нагреве плазмой деталей передача энергии может осуще­ствляться или только за счет процессов теплообмена нагретого газа с твердой или жидкой фазой (деталь электрически не связана с ис­точником питания), или за счет суммарного действия теплообмена и электрического взаимодействия заряженных частиц плазмы с электродом-заготовкой. В последнем случае эффективность нагре­ва, как правило, выше, но деталь должна быть электропроводной и ее необходимо включать в цепь источника питания плазмотрона.

В связи с этим в практике плазменной технологии сложились три основных принципиальных схемы плазмотронов. В двух схе­мах (рис. 1.13, а, б) для получения плазмы используется электрн- ческий дуговой разряд; в схеме, изображенной на рис. 1.13, в, на-

грев газа и образование плазмы осуществляются за счет безэлек- тродного высокочастотного индукционного разряда.

газ

Рис. 1.13. Принципиальные схемы плазмотрона

Г~Г

I/

ВЧ индуктор _ 1

Схема, изображенная на рис. 1.13, а, получила название плаз­менной дуги, а плазмотрон для ее получения - плазмотрон пря­мого действия. Если изделие 1 гальванически не связано с обраба­тываемой деталью (рис. 1.13, б), то схема называется плазменной струей, а плазмотрон носит название плазмотрона косвенного действия.

Известны комбинированные схемы включения изделия в цепь плазмотрона (плазменная струя и токоведущее изделие) и комби­нированные способы передачи энергии плазмообразующему газу (химическая энергия сгорания топлива и электрическая энергия ду­гового или высокочастотного разряда).

3. Характеристики плазменного источника

Основными характеристиками плазменного источника энер­гии являются его эффективная тепловая мощность, определяющая отношение количества теплоты, вводимой в основной металл, ко времени, и коэффициент сосредоточенности, определяющий рас­пределение удельного теплового потока по поверхности обрабаты­ваемого изделия.

Для плазменной дуги эффективная тепловая мощность

Ч-Шц_я,

где II - напряжение дуги; /- сила тока дуги;

т|_н - эффективный КПД процесса плазменного нагрева, учи­тывающий потери энергии при передаче ее к изделию.

При использовании в качестве источника энергии плазменной струи часть энергии дополнительно расходуется на нагрев анода- сопла. В этом случае значение величины т)„ меньше.

С энергетической точки зрения рациональнее использовать плазменную дугу.

Высокочастотные плазмотроны, как правило, имеют худшие энергетические характеристики по сравнению с дуговыми и соот­ветственно значительно меньшее значение эффективного КПД т]„.

Распределения температуры двух вариантов I и II плазменной дуги (рис. 1.14, а) и плазменной струи (рис. 1.14, б) по радиусу г и по длине / крайне неравномерны. Максимальная температура на­блюдается в центре на оси плазменного потока, причем она значи­тельно выше, чем у открытой дуги. Плотность теплового потока для плазменных источников энергии также выше, чем для откры­той дуги, и достигает 10⁶ Вт/см².

а б

Рис. 1.14. Распределение температуры плазменной дуги и плазменной струи по радиусу и длине

При нагреве в потоке плазмы мелкодисперсных частиц из-за малого времени взаимодействия частицы с плазмой эффективный

КПД нагрева обычно не превышает нескольких процентов. Для по­вышения эффективности нагрева приходится искусственно увели­чивать путь частицы при движении ее в канале плазмотрона. На­грев газа в плазмотроне приводит к резкому уменьшению плотно­сти газа. За счет этого увеличивается скорость его истечения.

Распределение скорости и струи по радиусу г сечения приве­дено на рис. 1.15. Скорость потока максимальна в центре, где на­блюдаются максимальная температура Т и минимальный массовый расход газа pu².

рь^г. ю⁵ ХК-10³ V,kwc

Рис. 1.15. Зависимости скорости струи температуры и массового расхода газа

по радиусу сечения

Большая скорость потока плазмы при выходе его из плазмо­трона позволяет получать значительный газодинамический напор, который растет с увеличением силы тока. Напор плазмы может быть использован в различных технологических целях.

В большинстве случаев расход газа в плазмотроне превышает 1 л/с и течение горячего газа носит турбулентный характер. Уменьшение расхода плазмообразующего газа до значений менее 0,1 л/с позволяет получать ламинарные плазменные струи, которые отличаются большой длиной (до 0,4 м) и высокой стабильностью.

В потоке плазмы можно получить практически любое веще­ство в мелкокапельной или паровой фазе. В сочетании с высокой температурой такие условия благоприятно отражаются на характе­ре протекания различных химических реакций. Плазменный нагрев позволяет получать в паровой фазе нитриды и карбиды, оксиды ту­гоплавких металлов и неметаллы высокой чистоты. При этом мож­но значительно увеличить выход продуктов реакции по сравнению с другими способами проведения химических реакций. Примером таких процессов может служить плазмохимическое получение аб­разивных материалов на основе бора, осаждение на рабочей по­верхности металлорежущего инструмента нитрида титана и т. д.

Плазменные источники энергии имеют ряд преимуществ пе­ред традиционно используемыми в промышленности газопламен­ными, дуговыми и др. Основным из них является высокая темпера­тура потока плазмы, чем и объясняется их широкое применение для формоизменения, сварки, резки и химико-термической обра­ботки заготовок.

4. Применение плазменной обработки

При плазменной обработке материалов низкотемпературной плазмой, генерируемой дуговыми или ВЧ-плазмотронами, изменя­ются форма, размеры, структура обрабатываемого материала или состояние его поверхности.

Эффект обработки обусловлен как тепловым, так и механиче­ским действием плазмы. Механическое действие проявляется в бомбардировке поверхности обработки частицами плазмы, движу­щимися с очень большой скоростью и обеспечивающими удаление расплавленного металла.

Плазменная обработка материалов обладает рядом особенно­стей, определяющих ее применение в промышленности. К ним от­носятся: возможность высокой концентрации энергии в зоне обра­ботки, способность плавить и испарять практически любые туго­плавкие материалы, широкий диапазон регулирования мощности.

Плазменная обработка применяется для резки материалов, нанесения покрытий, формирования деталей, получения порошков и сварки.

Нагрев деталей и материалов до невысоких температур (ниже точки их плавления) с помощью плазменных горелок используется сравнительно редко, однако в последнее время все чаще применя­ется плазменно-механическая обработка металлов, где осущест­вляется такой нагрев. Сущность метода состоит в том, что при об­работке, например, резанием высокопрочных металлов и сплавов перед резцом устанавливается плазмотрон, нагревающий узкую зону обрабатываемого материала. Так как при нагреве прочность обрабатываемого материала снижается, а пластичность повышает­ся, можно без ущерба для качества поверхности увеличить подачу и глубину резания. Плазменно-механическая обработка применяет­ся при изготовлении деталей из жаропрочных сталей, сплавов на основе вольфрама и молибдена и других материалов, в которых при механической обработке при обычной температуре в поверх­ностных слоях образуются микротрещины.

Плазменная горелка позволяет нагревать узкую зону заготов­ки, причем нагрев не вызывает окисления поверхности, и скорость нагрева до требуемой температуры может регулироваться в широ­ких пределах, позволяющих сочетать режим работы плазмотрона с режимами резания.

Применение плазменного нагрева при обточке цилиндриче­ских заготовок диаметром 100...350 мм из жаропрочных никелевых сплавов, вольфрама и молибдена показало, что производительность обработки увеличивается в 6...8 раз при уменьшении износа резцов в 5—6 раз. Скорость съема металла при этом может достигать

2. .4 кг/мин.

Плазменный нагрев до более высоких температур может при­водить к оплавлению шероховатостей механически обработанной поверхности, улучшая тем самым технологические показатели.

Плавление вещества плазмой

Плавка металлов и сплавов, а также неметаллических материа­лов с использованием плазменного нагрева получила широкое рас­пространение. Данный способ отличается высокой стабильностью, простотой и гибкостью технологического процесса. Плазменная плавка позволяет использовать самые различные среды и исходные материалы при минимальных потерях легирующих компонентов.

Наиболее распространена схема печи для плавки в водоохла­ждаемый кристаллизатор (рис. 1.16). В таких печах обычно вы­плавляют сложнолегированные сплавы (например, инструменталь­ные стали). При этом благодаря небольшому содержанию в металле неметаллических включений в виде оксидов и кислорода его меха­нические свойства (особенно пластичность) заметно повышаются.