3 Немеханічна обробка матеріалів

3.1 Електрофізичні й електрохімічні методи обробки

3.1.1 Загальні відомості

У сучасному машинобудуванні виникають технологічні проблеми, зв'язані з обробкою нових матеріалів і деталей, форму і стан поверхневого шару яких важко одержати відомими механічними методами. До таких проблем відноситься обробка дуже міцних чи дуже в’язких матеріалів, крихких і неметалічних матеріалів, тонкостінних нежорстких деталей, а також пазів і отворів, що мають розміри в кілька мікрометрів; одержання поверхонь деталей з малою шорсткістю, з дуже малою товщиною дефектного поверхневого шару і т.д.

Подібні проблеми здебільшого вирішуються електрофізичними й електрохімічними (ЕФЕХ) методами обробки. Для здійснення розмірної обробки заготовок цими методами використовують електричну, хімічну, звукову, світлову, променеву й інші види енергії.

ЕФЕХ методи обробки успішно доповнюють механічну обробку різанням, а в окремих випадках мають переваги перед нею. При ЕФЕХ методах обробки механічні навантаження або відсутні, або настільки малі, що практично не впливають на сумарну похибку точності обробки. Ці методи дозволяють не тільки змінювати форму оброблюваної поверхні заготовки, але одночасно впливати і на стан поверхневого шару. Так, в окремих випадках оброблена поверхня не зміцнюється, а дефектний шар незначний, видаляються припали поверхні, отримані при шліфуванні і т.п. При цьому підвищуються зносостійкість, корозійна стійкість, міцність та інші експлуатаційні характеристики поверхонь деталей.

Кінематика формоутворення поверхонь деталей ЕФЕХ методами обробки, як правило, проста, що забезпечує тонке регулювання процесів і їхню автоматизацію.

ЕФЕХ методи обробки є універсальними і забезпечують безперервність процесів при одночасному формоутворенні всієї оброблюваної поверхні. На оброблюваність заготовок ЕФЕХ методами (за винятком ультразвукового і деяких інших методів) твердість і в'язкість оброблюваного матеріалу практично не впливають.

У промисловості усе ширше застосовують комбіновані методи обробки, що в окремих випадках дають значно більший ефект, ніж кожний з методів окремо.

3.1.2 Електроерозійні методи обробки

Електроерозійні методи обробки базуються на явищі ерозії (руйнуванні) електродів зі струмопровідних матеріалів при пропусканні між ними імпульсного електричного струму.

Використання електроерозії для обробки струмопровідних матеріалів було запропоновано радянськими вченими в 1943 р. До цього методу відносять електроіскрову, електроімпульсну і високочастотні електроіскрову і електроімпульсну обробки.

Електричний розряд між двома електродами відбувається в газовому середовищі чи при заповненні міжелектродного проміжку діелектричною рідиною (гасом, мінеральною оливою і т.д.). У рідкому середовищі процес електроерозії відбувається інтенсивніше.

При наявності потенціалу на електродах міжелектродний простір іонізується. Коли різниця потенціалів досягає певної величини, у середовищі між електродами утвориться канал провідності, по якому спрямовується електрична енергія у виді імпульсного іскрового чи дугового розряду. Завдяки високій концентрації енергії, реалізованої в часі за 10^-5 – 10^-8с, миттєва щільність струму в каналі провідності досягає 8000 – 10 000 А/мм², у результаті чого температура на поверхні оброблюваної заготовки-електрода зростає до 10 000 –12 000 °С.

При цій температурі миттєво оплавляється і випаровується елементарний об’єм металу і на оброблюваній поверхні утворюється лунка. Вилучений метал вистигає в діелектричній рідині у виді сферичних гранул діаметром 0,01 – 0,005 мм.

Наступний імпульс струму пробиває міжелектродний проміжок там, де відстань між електродами виявиться найменшою. При неперервному підведенні до електродів імпульсного струму процес ерозії продовжується доти, поки не буде вилучений весь метал, що знаходиться між електродами на відстані, при якому можливий електричний пробій (0,01 – 0,05 мм) при заданій напрузі імпульсу. Для продовження процесу необхідно зблизити електроди до вказаної відстані і тоді процес ерозії відновиться. Електроди зближаються автоматично за рахунок використання систем стеження.

Крім теплового впливу, при електроерозійних методах обробки на матеріал заготовки-електрода діють електродинамічні й електростатичні сили, а також тиск рідини від явища кавітації, що супроводжує процес імпульсних розрядів. Сукупність теплових і силових факторів приводить до руйнування металу і формоутворенню поверхні оброблюваної заготовки-електрода.

Кавітацією називають процес утворення газових чи повітряних пухирців в рідині, зокрема під дією ультразвукових коливань. Розтріскування пухирців викликає гідравлічні удари, здатні руйнувати тверді й крихкі матеріали, тому що в момент розтріскування тиск у пухирцях досягає декількох сотень атмосфер.

Електроіскрова обробка. Ця обробка базується на використанні імпульсного іскрового розряду між двома електродами, один з яких є оброблюваною заготовкою (анод), а інший – інструментом (катод).

Принципова схема електроіскрового верстата з генератором імпульсів RC наведена на рисунку 3.1. Конденсатор С, включений у зарядний контур, заряджається через опір R від джерела постійного струму напругою 100 – 200 В. Коли напруга на електродах 1 і 3, включених паралельно конденсатору які утворюють розрядний контур, досягне пробійного, утвориться канал наскрізної провідності, через який здійснюється іскровий розряд енергії, накопиченої конденсатором. Тривалість імпульсу складає 20 –200 мкс.

Рисунок 3.1 - Схема електроіскрового верстата: 1 – електрод-інструмент; 2 – ванна; 3 – заготовка-електрод; 4 – діелектрична рідина; 5 – ізолятор

При збільшенні ємності конденсатора накопичуваний в ньому запас енергії збільшується, а значить і підвищується продуктивність процесу. Зі збільшенням опору зростає час зарядки конденсатора і тривалість ерозійного циклу. Для підвищення продуктивності процесу треба зменшити опір.

Залежно від енергії, реалізованої в імпульсі, режим обробки поділяють на жорсткий чи середній для попередньої чорнової обробки і м'який чи особливо м'який для викінчувальної обробки. При обробці заготовок на м'яких режимах досягають розмірів з точністю до 0,002 мм при шорсткості поверхні, що відповідає 8–10-му класам. Заготовки обробляють у ваннах, заповнених діелектричною рідиною: гасом чи рідкими мінеральними оливами. Рідина виключає нагрівання електродів (інструменту та заготовки), охолоджує продукти руйнування, зменшує величину бокових розрядів між інструментом і заготовкою, що підвищує точність обробки.

Для забезпечення безперервності процесу обробки необхідно, щоб зазор між інструментом-електродом та заготовкою був постійним. Для цього електроіскрові верстати оснащують системою стеження, і механізмом автоматичної подачі інструмента. Величина подачі залежить від режиму обробки. Інструменти – електроди виготовляють з латуні, міді, вуглеграфітових і з інших матеріалів.

Електроіскровим методом обробляють усі струмопровідні матеріали. Доцільніше обробляти тверді сплави, важкооброблювані метали і їхні сплави: тантал, вольфрам, молібден, і інші матеріали.

Е лектроіскровим методом (рисунок 3.2) одержують наскрізні отвори будь-якої форми поперечного перерізу (а), глухі отвори і порожнини (б), фасонні отвори і порожнини по способу трепанації (в), отвори з криволінійними осями (г), вирізують заготовки з листа при використанні дротового чи стрічкового інструмента-електрода (д), виконують плоске, кругле і внутрішнє (е) шліфування, розрізають заготовки, таврують і т.д.

Рисунок 3.2 – Схеми ектроіскрової обробки: а – прошивання отвору; б – обробка фасонної порожнини штампа; в – прошивання отвору по способі трепанації; г – прошивання отвору з криволінійною віссю; д – вирізання заготовки з листа; е – шліфування внутpішньої поверхні фільєри

Електроіскрову обробку широко застосовують для виготовлення штампів, прес-форм, фільєр, ріжучого інструмента, деталей паливної апаратури двигунів внутрішнього згоряння, сіток і сит, нарізування різьб і т.д.

До переваг методу варто віднести простоту обробки і нескладність устаткування. Однак метод має порівняно низьку продуктивність; крім того, швидко руйнуються інструменти-електроди.

Електроімпульсна обробка. Цей метод базується на тому, що полярний ефект при імпульсах малої і середньої тривалості приводить до підвищеної ерозії аноду, що використовується при електроіскровій обробці. При імпульсах великої тривалості (дуговий розряд) значно швидше руйнується катод. Тому при електроімпульсній обробці застосовують зворотну полярність включення електродів і обробляють при дії уніполярних імпульсів, створюваних електромашинним (рисунок 3.3) чи електронним генератором. Тривалість імпульсів в залежності від типу генератора складає 500 – 10 000 мкс.

Рисунок 3.3 – Схема електроімпульсної обробки:

1 – електродвигун; 2 – імпульсний генератор постійного струму; 3 – інструмент-електрод; 4 – заготовка-електрод; 5 – ванна

При електроімульсній обробці інструменти-електроди зношуються значно менше, ніж при електроіскровій обробці. Великі потужності імпульсів забезпечують високу продуктивність процесу. Метод найбільш доцільно застосовувати при попередній обробці штампів, турбінних лопаток, фасонних отворів у деталях із твердих, корозійно-стійких (нержавіючих) і жароміцних сплавів. Точність розмірів і шорсткість оброблених поверхонь залежать від режиму обробки.

При електроімпульсній обробці знімання металу в одиницю часу у 8 –10 разів більше, ніж при електроіскровій обробці.

Високочастотна електроіскровая обробка. Для підвищення точності і зменшення шорсткості оброблених поверхонь заготовок при електроерозійній обробці був запропонований метод високочастотної електроіскрової обробки. Метод базується на використанні електричних імпульсів малої енергії при частоті 100 – 150 кГц.

Схема високочастотної електроіскрової обробки показана на рисунку 3.4. Конденсатор С розряджається при замиканні первинного ланцюга імпульсного трансформатора переривачем, вакуумною лампою, чи тиристором. Тому що інструмент-електрод і заготовка включені у вторинний ланцюг трансформатора, то це виключає виникнення дугового розряду.

Продуктивність методу в 30 – 50 разів вище в порівнянні з електроіскровим при значному збільшенні точності і зменшенні шорсткості. Знос інструменту незначний.

Рисунок 3.4 – Схема високочастотної електроіскрової обробки: 1 – інструмент-електрод; 2 – заготовка-електрод; 3 – імпульсний трансформатор; 4 – переривач струму; 5 – випрямляч

Високочастотний електроіскровий метод широко застосовують при обробці деталей із твердих сплавів, тому що він виключає структурні зміни і мікротріщини в поверхневому шарі матеріалу оброблюваної заготовки.

Для чистової обробки широко застосовують високочастотну електроімпульсну обробку. Джерелом енергії служать спеціальні широкодіапазонні імпульсні генератори.

Електроконтактна обробка. Метод базується на локальному нагріванні заготовки в місці її контакту з інструментом-електродом і видаленні розм'якшеного чи навіть розплавленого металу з зони обробки механічним способом за рахунок відносного руху заготовки і інструменту. Джерелом утворення теплоти в зоні обробки є імпульсні дугові розряди.

Інструментом-електродом є чавунний чи мідний диск, що має обертальний рух. Обробляють на постійному чи змінному струмі напругою 10 – 40 В. У процесі обробки диск охолоджується.

Електроконтактну обробку застосовують при точінні, свердлінні і інших заготівельних операціях: розрізуванні виливків, обдиранні складних фасонних і плоских поверхонь, очищенні деталей від окалини і т.д. На рисунку 3.5 показана схема електроконтактної обробки плоскої п оверхні.

Рисунок 3.5 – Схема електроконтактної обробки плоскої поверхні: 1 – заготовка, що обробляється; 2 – інструмент-електрод; 3 –трансформатор

Метод не забезпечує високої точності і низької шорсткості, але високопродуктивний внаслідок використання великих електричних потужностей.