32 Лекция №31. Электрофизические и электрохимические методы обработки

Продолжительность: 2 часа (90 мин.)

32.1 Основные вопросы

- виды электрофизической и электрохимической обработки;

- электроискровая обработка;

- ультразвуковая обработка;

- лучевая обработка.

32.2 Текст лекции

32.2.1 Общая характеристика методов электрофизической и электрохимической обработки – до 30 мин

Электрофизико-химическую обработку (ЭФХО) 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.

Электроэрозионный метод обработкитокопроводящих 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 энергии. Съем материала осуществляется преобразованием этой энергии непосредственно в зоне обработки в теплоту.

Электрогидравлическая обработкаматериалов 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 обработкаматериалов 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.

Ультразвуковой метод обработкизаключается 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.

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 обра­отка 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 ЭВМ.

32.2.2 Электроискровая обработка – до 20 мин

Электроискровая обработка основана на обработке металлов импульсами электрического тока. На рис. 32.2 приведена схема электроискровой обработки.

Рисунок 32.1 – Схема электроискровой установки: 1 – инструмент (катод); 2 – рабочая жидкость; 3 – обрабатываемая заготовка (анод); 4 – источник постоянного 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, а другим электродом является инструмент. 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 напряжения, равного пробойному, образуется канал сквозной проводимости, через который осуществляется разряд всей энергии, накопленной конденсатором. Прохождение тока через эрозионный промежуток прекращается после деионизации объема жидкости, заключенного между электродами.

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.

32.2.3 Ультразвуковая обработка – до 20 мин

Ультразвуковая размерная обработка основана на ультразвуковых колебаниях инструмента в среде абразивной суспензии. На рис. 32.2 приведена схема ультразвуковой размерной резки полупроводниковых слитков на пластины. Обрабатываемый материал выкалывается ударами зерен абразива, получающих ускорение от торца инструмента, колеблющегося с небольшой амплитудой. Обрабатываемый материал должен быть хрупким, а инструмент более мягким (среднеуглеродистые стали).

Рисунок 32.2 – Схема резки полупроводниковых слитков на пластины: 1 – инструмент, 2 – магнитостриктор, 3 – концентратор колебаний, 4 – генератор, 5 – разрезаемый слиток, 6 – абразивная суспензия.

Инструмент получает ультразвуковые колебания от магнитостриктора через концентратор колебаний. Некоторые материалы, называемые магнитострикционными, под воздействием электромагнитных колебаний от генератора начинают «сжиматься и разжиматься» с той же частотой. Если к торцу магнитостриктора, колеблющегося с ультразвуковой частотой и определенной амплитудой, прикрепить инструмент определенной формы, то можно вести обработку. Для усиления энергии колебаний применяют концентраторы различной конфигурации.

В качестве суспензии используют воду с абразивными зернами. Для повышения производительности суспензию следует прокачивать через зазор между инструментом и обрабатываемым слитком, так как абразивные зерна постепенно разрушаются и их необходимо заменять.

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. 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.

32.2.4 Лучевая обработка – до 20 мин

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, полупроводниковые материалы, легированные стали и ферриты, твердые сплавы, корунд и т. д.) обрабатываются одинаково успешно. 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.

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.

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. 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.

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.