7. КОМБИНИРОВАННЫЕ МЕТОДЫ ОБРАБОТКИ (КМО)

С наложением электрического поля

7.1. Классификация физических воздействий для создания комбинированных методов обработки.

В основе всех методов обработки лежат известные физические явления, которые определяют технологические показатели процессов формообразования.

К таким воздействиям относятся: механические, тепловые, химические, магнитные, ядерные. Электрический ток, подаваемый в зону обработки, является источником энергии на технологические цели. В ряде случаев (например, при электрохимической размерной обработке) он интенсифицирует процессы, которые возможны и без подвода тока (например, разрушение металла за счет коррозии, химическое травление и др.).

К наиболее изученным и востребованным в технологии машиностроения относится механическое воздействие на объект обработки, которое имеет два вида: постоянное и импульсное (дискретное).

Постоянное воздействие применяется в большинстве процессов лезвийной обработки (при точении, сверлении, фрезеровании, протягивании и др.), в случае формообразования пластической деформацией (раскатка, дорнование, экструдирование и др.).

К импульсному воздействию относят обработку абразивным инструментом (шлифование, полирование, притирка и др.), пластическое деформирование ударным методом (ковка, штамповка, вибрационное упрочнение и др.), обработку с наложением ультразвуковых колебаний (размерная обработка, интенсификация процессов и др.).

Этот вид воздействий занимает более половины трудоемкости при изготовлении деталей машин, поэтому повышение его технологических показателей за счет комбинирования с другими видами воздействий может дать наибольший эффект и открывает новые возможности по расширению технологических возможностей производства при создании наукоемкой конкурентоспособной продукции.

Тепловое воздействие может иметь как самостоятельное технологическое приложение (термообработка, плавление, сварка и др.), так и сопутствовать при других процессах (нагрев изделий при механообработке, что может вызывать прижоги, выгорание элементов), придание материалам особых (например, магнитных) свойств и др. Следовательно, в большинстве известных технологических приемов речь может идти о комбинации нескольких воздействий, хотя в ряде случаев, например, появление источников тепла снижает качество изделий, в связи с чем необходимо принимать меры к устранению или локализации такого воздействия.

Тепловое воздействие лежит в основе ряда электрических методов обработки: электроэрозионной, лучевых. Здесь электрический ток образует мощные тепловые источники, способные разогревать и плавить материалы. Сопутствующим процессом является термообработка поверхностного слоя, изменяющая его характеристики и служащая способом повышения твердости и износоустойчивости. Таким образом электрические методы в основном являются комбинированными, хотя часто используют единое тепловое воздействие для различных технологических операций (формообразование, термообработка, в некоторых случаях – химико-термическое упрочнение).

Химическое воздействие используется при химическом травлении (например, для очистки заготовок, при полировании, формообразовании листовых материалов, получении неглубоких выемок, знаков и др.), нанесении покрытий (никелирование, хромирование, гальванопластика и др.), химико-термической обработке (цементация, цианирование и др.). Оно же лежит в основе электрохимической размерной обработки, протекающей за счет химических реакций преобразования (под действием энергии электрического тока) металлов в гидроокислы и выноса продуктов из зоны обработки динамическим воздействием жидкости (электролита). Таким образом, этот вид технологического приложения тока может быть отнесен к комбинированному методу (химическое и постоянное механическое воздействие).

Магнитное воздействие в большинстве случаев является структурной составляющей всех процессов, где используется электрический ток, т.к. при прохождении тока возникают электромагнитные поля различной интенсивности, которые могут составить часть комбинированного метода обработки с участием магнитного поля. Однако, определяющее влияние рассматриваемого вида технологического воздействия проявляется только в отдельных процессах, например, при полировании поверхностей ферромагнитными абразивными зернами, электромагнитной разделительной и объемной штамповке, механической очистке изделий от загрязнений, упрочнении деталей, а также в магнитных муфтах для передачи движений через стенки, средствах управления и автоматики. В комбинированных методах обработки самостоятельное магнитное воздействие используется весьма редко, поэтому подробно здесь не рассматривается. Более полную информацию по этому вопросу можно получить из справочников.

Ядерное воздействие на современном уровне исследований практически не изучено, хотя имеются сведения о положительном влиянии облучения на интенсивность резания труднообрабатываемых материалов, повышение предела усталостной прочности деталей, работающих при знакопеременных нагрузках. Есть основания считать, что под действием излучения происходят физические процессы на уровне атомов и молекул вещества, изменяющие внутреннюю энергию и напряжения, что может быть использовано для технологических целей в комбинированных методах обработки. Однако, в настоящее время неизвестны количественные показатели ядерного воздействия, а имеющиеся отрывочные сведения по качественным связям показателей процесса с технологическими возможностями недостаточны для использования ядерных воздействий в качестве составляющих факторов комбинированной обработки. Кроме того, при облучении необходимо учитывать возможное воздействие этого явления на живые организмы, и требуются особые меры защиты персонала, его охраны, создание дорогостоящих изолированных участков, что не во всех случаях экономически оправдано.

При разработке новых комбинированных методов может использоваться два и более воздействий, основные из которых приведены на рис. 7.1.

Под комбинированными методами будем понимать технологические процессы, в которых использованы виды воздействий, оказывающих существенное влияние на повышение технологических показателей проектируемого способа формообразования или изменение эксплуатационных характеристик изделий.

Рис. 7.1. Связи воздействий комбинированными методами обработки

Сочетание различных воздействий на объект обработки с наложением электрического поля позволяет повысить технологические возможности процессов и достичь результатов, открывающих возможность создания изделий нового поколения, не имеющих аналогов на мировом рынке.

Комбинированные методы обработки проектируют путем объединения рассмотренных выше физических воздействий: теплового, химического, механического, магнитного, ядерного. Электрическое поле является не только источником энергии, но и интенсифицирующим фактором, усиливающим значение базовых воздействий.

Примером может служить коррозия металлов, где за счет внутренних электрических токов происходит разрушение структурных составляющих сплавов. Подобный же механизм раскрывает процесс электрохимической размерной обработки, который происходит путем подвода внешнего тока большой величины, что приводит к ускорению съема металла на несколько порядков. Все известные способы обработки материалов представляют из себя комбинацию воздействий.

Как показано выше, механическое резание лезвийным и абразивным инструментом сопровождается тепловыми явлениями (нагрев, термические превращения материала и др.), химическими изменениями (химического состава сплавов, особенно в поверхностном слое, разложением материалов, переходом продуктов обработки в новое агрегатное состояние и др.), другими явлениями, замеченными, например, при облучении (ядерном воздействии) металлов на операциях разделения, когда за счет облучения скорость резания возрастает в несколько раз при снижении удельного расхода подводимой энергии.

При описании механизма протекания процесса комбинированной обработки с наложением электрического поля достаточно учитывать только основные воздействия, главным образом внешние, которые поддаются управлению, и некоторые виды взаимного влияния, вызванные изменениями показателей от внешних воздействий.

В зависимости от используемого электрического тока рассматриваются анодные, катодные процессы, а также методы обработки, протекающие при переменном токе.

Анализ возможных сочетаний известных воздействий позволяет утверждать, что из них можно спроектировать не менее 800 новых комбинированных процессов, обладающих существенными полезными свойствами. Однако, в настоящее время изучено или практически используется не более 20–30 таких технологических приемов, в основном при прямом подключении постоянного тока, где анодом является заготовка. Это составляет около 2% от возможного количества комбинированных методов.