Материаловедение и технология конструкционных материалов

ЭЛЕКТРОФИЗИЧЕСКИЕ И ЭЛЕКТРОХИМИЧЕСКИЕ МЕТОДЫ ОБРАБОТКИ

к.

Понятие об электрофизических

иэлектрохимических методах обработки

Впромышленности часто возникают технологические трудно­ сти с обработкой материалов и деталей, форму и состояние поверх­ ностного слоя которых трудно получить механическими методами. Сюда можно отнести обработку очень прочных, вязких, хрупких материалов, тонкостенных нежестких деталей, получение пазов

иотверстий, имеющих размеры в несколько микрометров, полу­ чение поверхностей деталей с малой шероховатостью или малой толщиной дефектного слоя и т.д. Эти задачи решаются приме­ нением электрофизических и электрохимических методов обра­ ботки (ЭФЭХ). Они основаны на использовании явлений эрозии, возникающих под действием электрического тока.

Обработка методами ЭФЭХ происходит в условиях действия минимальных сил резания или при полном их отсутствии. При обработке методами ЭФЭХ'в качестве обрабатывающего инстру­ мента используют сформированный определенным образом поток электронов, ионов или фотонов. Преимуществом подобного «ин­ струмента» является его безынерционность и отсутствие износа. Обработка методами ЭФЭХ не зависит от твердости и хрупкости обрабатываемого материала.

Однако у этих методов есть и недостатки: повышенная по сравнению с мехобработкой энергоемкость, необходимость ис­ пользования специального оборудования, необходимость сбора и утилизации отходов.

Все методы ЭФЭХ в зависимости от характера явлений, исполь­ зуемых при обработке, можно разделить на следующие группы:

□ методы, основанные на использовании теплового действия электрического тока (электроэрозионная, световая, электрон­ но-лучевая, плазменная обработки);

□методы, основанные на использовании химического дейст­ вия электрического тока (электрохимическая обработка);

□методы, основанные на использовании механического дей­ ствия электротока и электромагнитного поля (ультразвуковая, электрогидравлическая, магнитно-импульсная обработки);

□методы, использующие одновременное действие нескольких явлений (электроконтактная, анодно-механическая, электроабразивная, электроэрозионно-ультразвуковая обработки и др.).

24.2. Электроэрозионные методы обработки

Электроэрозионная обработка (ЭЭО) является разновидно­ стью электрофизической обработки. Цри ЭЭО изменение формы, размеров и качества поверхности происходит под действием электрических разрядов, возникающих при пропускании им­ пульсного электрического тока в зазоре шириной 0,01...0,05 мм между электродами — заготовкой и инструментом. Под дейст­ вием электрических разрядов материал заготовки плавится, испа­ ряется и удаляется из меж^лектродного промежутка в жидком или газообразном состоянии. Такие процессы разрушения элек­ тродов (заготовок) называются электрической эрозией. Промежу­ ток между заготовкой й электродом заполняют диэлектрической жидкостью, такой как минеральное масло. При достижении на электродах напряжения, равного напряжению пробоя в среде, между электродом и заготовкой образуется канал проводимости, по которому осуществляется импульсный дуговой или искровой разряд. Плотность тока в канале проводимости достигает 8000...

10 000 А/мм2, а время разряда — 10~15...10"8 с. При этих усло­ виях на поверхности, электрода-заготовки температура возрастает до 10 000... 12 000 °С, что приводит к расплавлению и испарению элементарного объема металла. На обрабатываемой поверхности образуется лунка, затем пробой происходит в другом месте, и так продолжается до тех пор, пока Не снимается требуемый слой ме­ талла. В результате расстояние между электродами возрастает настолько, что пробой при заданом напряжении импульса стано­ вится невозможным, и наступает момент прекращения обработки. Поэтому для продолжения обработки электроды необходимо сближать до тех пор, пока не будет достигнут заданный размер заготовки.

24.2.1. Электроискровая обработка

Электроискровая обработка характеризуется использованием искровых разрядов с малой длительностью (10~15...10~7 с) при прямой полярности подключения электродов (заготовка — «+», инструмент — «-»). В зависимости от мощности электрических разрядов режимы обработки делятся на жесткие и средние (для предварительной обработки), мягкие и очень мягкие (для окон­ чательной). Мягкий режим обработки позволяет получать раз­ меры с точностью до 0,002 мм при шероховатости поверхности На = 0,01 мкм. Использование диэлектрической жидкости пре­ дотвращает нагрев электродов.

Для проведения обработки на электроискровых режимах ис­ пользуют станки, оснащенные RC генераторами (рис. 24.1), со­ стоящими из зарядного и разрядного контура. Зарядный контур включает в себя конденсатор С, заряжающийся через сопротивле­ ние R от источника тока с напряжением 100...200 В, а в разряд­ ный контур параллельно конденсатору С включены электроды — инструмент и заготовка. Как только напряжение на электродах достигает пробойного, через межэлектродный зазор происходит искровой разряд энергии, накопленной в конденсаторе С. Про­ изводительность эрозионного процесса может быть увеличена уменьшением сопротивления R.

Постоянство межэлектродного зазора поддерживается специ­ альной следящей системой, управляющей механизмом автома­ тического движения подачи инструмента, изготовленного из меди, латуни или углеграфитовых материалов.

Рис. 24.1. Схема электроискрового станка:

1 — электрод-инструмент; 2 — ванна; 3 — заготовка-электрод; 4 —

диэлектрическая жидкость; 5 — изолятор

100... 1500 кГц. Эту обработку используют для повышения точ­ ности и уменьшения шероховатости поверхностей, обработан­ ных электроэрозионным методом. Производительность метода в 30...50 раз выше, чем при электроискровом способе обработ­ ки. Одновременно гарантируется получение поверхностей с ми­ нимальной глубиной дефектного слоя, что очень важно при об­ работке твердых и хрупких материалов. Износ инструмента не­ значителен.

Рис. 24.3. Схема высокочастотной электроискровой обработки: 1— инструмент-электрод; 2 — заготовка-электрод; 3 — импульсный трансформатор; 4 — прерыватель тока; 5 — выпрямитель

При высокочастотной электроискровой обработке (рис. 24.3) конденсатор С разряжается при замыкании первичной цепи им­ пульсного трансформатора 3 прерывателем 4 (вакуумной лампой или тиратроном). Инструмент-электрод 1 и заготовка 2 включе­ ны во вторичную цепь трансформатора.

24.2.4. Электроконтактная обработка

Электроконтактная обработка основана на разрушении металла в результате одновременного механического и теплового воздейст­ вия в месте контакта электрода-инструмента с заготовкой, приво­ дящего к расплавлению, частичному испарению и удалению раз­ мягченного металла из зоны обработки.

Электроконтактную обработку проводят при постоянном или переменном токе медными или чугунными электродами (рис. 24.4). Меньшая эрозия инструмента по сравнению с эрозией заготовки объясняется интенсивным воздействием охлаждающих сред (сжа­ тый воздух, вода) и быстрым вращением инструмента (до 60 м/с). Электроконтактная обработка не обеспечивает высокой точности и качества поверхности, но приводит к высокой производитель-

пр

Рис. 24.4. Схема электроконтактной обработки:

1 — заготовка; 2 — инструмент-электрод; 3 —трансформатор

ности вследствие значительного съема металла. Она применяется для резки заготовок, обдирки отливок, заточки инструмента, плоского, шлифования, прошивки отверстий, очистки от ока­ лины, обработки криволинейных поверхностей.

Электрохимические методы обработки

В основу электрохимических методов обработки заготовок положен принцип анодного растворения при электролизе. При подаче постоянного тока в зону обработки на поверхности заго­ товки (аноде) происходят химические реакции, превращая слой металла в химические соединения. Продукты электролиза пе­ реходят в раствор или удаляются механическим путем. Произ­ водительность процесса зависит от электрохимических свойств электролита, обрабатываемого материала и плотности тока.

Электрохимическое полирование проводится в ванне, за­ полненной электролитом, которым являются растворы кислот или щелочей. Обрабатываемую заготовку подключают к аноду (рис. 24.5, а), катодом служит металлическая пластина из свин­ ца, меди, стали. С целью интенсификации процесса электролит подогревают до температуры 40...60 °С.

При подачё напряжения на электроды начинается процесс растворения материала заготовки-анода. Растворение происхо­ дит главным образом на выступах микронеровностей поверхности из-за более высокой плотности тока на их вершинах. В резуль­ тате избирательного растворения микронеровности сглажива­ ются и обрабатываемая поверхность выравнивается.

минералы, в том числе алмазы, титановые сплавы, вольфрам. Пластичные и вязкие материалы этими методами не обрабаты­ вают.

Электронно-лучевая обработка основана на тепловом воздей­ ствии п о т о к а движущихся электронов на обрабатываемый мате­ риал, который в месте обработки плавится и испаряется. Высокая концентрация энергии в сочетании с импульсным воздействием позволяет использовать этот метод для резки заготовок, изготов­ ления сеток из фольги, прорезания пазов, обработки отверстий диаметром 1...10 мкм в деталях из труднообрабатываемых ме­ таллов и сплавов. В качестве оборудования используют электро­ вакуумные устройства, называемые электронными пушками.

Метод световой обработки основан на использовании теп­ лового воздействия светового луча, излучаемого оптическим квантовым генератором (лазером) на поверхность заготовки. Излучение лазера характеризуется высокой концентрацией энергии, которая выделяется в миллионные доли секунды и со­ средоточивается в луче диаметром 0,01 мм. В фокусе диаметр светового луча составляет несколько микрометров, что обеспе­ чивает температуру 6000...8000 °С. В результате этого поверх­ ностный слой заготовки, находящийся в фокусе, мгновенно рас­ плавляется и испаряется. Лазерную обработку применяют для прошивания сквозных отверстий, разрезания заготовок, выре­ зания из листа сложнопрофильных деталей, прорезания пазов и т.д. Этим методом можно обрабатывать заготовки из любых материалов, включая самые твердые и прочные.

В отличие от электронных пушек работа лазера не сопровож­ дается рентгеновским излучением, а его к о н ст р у к ц и я проще из-за отсутствия вакуумной системы.