чек металла с поверхности, что отрицательно сказывается на прочности и из-
носостойкости.
Обработка ППД тонкого поверхностного слоя имеет ряд преимуществ перед обработкой деталей резанием: Сохраняется целостность волокон ме-
талла. В поверхностном слое образуется мелкозернистая структура или даже текстура с анизотропными свойствами. Отсутствует шаржирование обраба-
тываемой поверхности абразивными частицами. Отсутствуют дефекты, свя-
занные с сильным нагревом заготовок в процессе обработки. Достигается минимальная шероховатость поверхности с большой относительной опорной длиной профиля. Стабильные режимы обработки, обеспечивающие стабиль-
ное качество поверхности. Возможность образования регулярных микро-
рельефов с заданной площадью смазочных канавок, что улучшает условия эксплуатации пар трения. В поверхностном слое создаются благоприятные сжимающие остаточные напряжения. Происходит плавное увеличение мик-
ротвердости поверхностного слоя заготовок. При правильном выборе метода и режимов обработки обеспечивается повышение износостойкости, сопро-
тивления усталости, контактной выносливости и других эксплуатационных свойств обработанных деталей на 20 … 300%.
При выборе методов ППД необходимо учитывать следующие особен-
ности: Геометрическая точность поверхностей деталей, обрабатываемых ППД не повышается. Сохраняется точность, достигнутая на предыдущей операции. При обработке тонкостенных и неравножестких деталей может происходить деформация поверхности из-за создания в поверхностном слое остаточных напряжений. При большом пластическом течении металла на кромках обрабатываемых поверхностей могут образовываться наплывы ме-
талла. Применение методов ППД, как правило, позволяет механизировать и автоматизировать процессы обработки, тем самым, повышая производитель-
ность труда.
Контрольные вопросы
1.В чем особенность статических методов ППД?
2.В чем преимущества ППД перед обработкой резанием?
3.Перечислите и охарактеризуйте основные разновидности ППД?
4.Какие физические явления происходят в поверхностных слоях при об-
работке ППД?
ГЛАВА 8. ЭЛЕКТРОФИЗИЧЕСКИЕ И ЭЛЕКТРОХИМИЧЕСКИЕ МЕ-
ТОДЫ ОБРАБОТКИ ПОВЕРХНОСТЕЙ ЗАГОТОВКИ
Электрофизические (ЭФО) и электрохимические (ЭХО) методы ис-
пользуются для формообразования поверхностей у заготовок из труднообра-
батываемых материалов. Широкое применение методов ЭФО и ЭХО объяс-
няется следующими их особенностями: высокая производительность обра-
ботки не зависящая от прочностных характеристик материала заготовки;
возможность изготовления деталей со сложно-фасонными поверхностями
(полости штампа, отверстия с криволинейной или фасонной образующей,
фильеры); высокий коэффициент использования материала при разделении заготовок по любой траектории.
Все ЭФО и ЭХО методы условно можно разделить на: электроэрозион-
ную обработку (электроискровая, электроимпульсная, электроконтактная);
электрохимическую (электрохимическая, анодно-механическая); химическую
(химическая, химико-механическая); импульсно-механическую (ультразву-
ковая, электрогидравлическая); лучевую (светолучевая, электронно-лучевая);
плазменную и взрывную.
8.1. Электроэрозионная обработка
Электроэрозионная обработка основана на разрушении (эрозии) элек-
тродов при пропускании между ними импульсов электрического тока. Элек-
трический разряд между электродами происходит в газовой среде или при заполнении межэлектродного промежутка диэлектрической жидкостью (ке-
росин, минеральное масло). Эрозия электродов в жидкой среде происходит значительно интенсивнее. При замыкании электрической цепи ионизируется межэлектродное пространство. При достижении пороговой разности потен-
циалов образуется канал проводимости, по которому проходит искровой или дуговой разряд. За время 10-5… 10-8 с плотность тока возрастает до 8 … 10
кА/ мм2. В результате, температура на поверхности заготовки – электрода возрастает до 10 000 … 12 000о С. При таких температурах оплавляется и ис-
паряется элементарный объем материала заготовки. Следующий импульс то-
ка пробивает межэлектродный промежуток там, где расстояние между элек-
тродами окажется минимальным. Эрозия металла происходит до тех пор, по-
ка расстояние между электродами не окажется больше критического (0,01 … 0,05мм). При сближении электродов, процесс эрозии повторяется. Кроме те-
плового воздействия, на заготовку действуют электростатические, электро-
динамические силы и кавитационные явления.
Электроискровая обработка (ЭИсО) основана на использовании им-
пульсного искрового разряда между анодом (заготовкой) и катодом (инстру-
ментом).
Принципиальная схема установки ЭИсО показана на рис. 8.1. В ванне с диэлектрической жидкостью 4 размещены: подставка – изолятор 7 и заготов-
ка 6. Между заготовкой и инструментом 3 пропускается импульсный ток с амплитудой 100 … 200 в. Импульс продолжительностью20 … 200 мкс
Рис. 8.1. Схема установки для элек-
троискровой обработки:
1 – R-C генератор; 2, 5 – подача и слив электролита; 3 – инструмент; 4 -
электролит; 6 – заготовка; 7 – изоля-
тор; D – перемещение инструмента.
генерируется RC генератором 1. В зависимости от энергии импульса, разли-
чают обработку на: особо мягких, мягких, средних и жестких режимах. Мяг-
кие режимы позволяют вести обработку с размерной точностью до 2 мкм и шероховатостью обработанной поверхности до Rz 0,32 мкм.
При ЭИсО стальных заготовок образуется мелкодисперсная закалочная структура, что обеспечивает упрочнение поверхностных слоев (обработка кулачков, направляющих, стержней выпускных клапанов).
ЭИсО применяется для изготовления: штампов, пресс-форм, деталей топливной аппаратуры двигателей, сложнопрофильных деталей, глухих и сквозных отверстий некруглого сечения (рис. 8.2).
Рис. 8.2. Примеры изделий получен-
ных электроискровой обработкой электродом:
а – штамп для изготовления крышки коренного вкладыша, полученный с помощью электрода; крыльчатки из высокопрочного чугуна (б) и нержа-
веющей стали 12Х18Н10Т (в); г – глу-
хое отверстие глубиной 55 мм в заго-
товке из стали 20ХНМА; д – сквозное отверстие в заготовке из твердого сплава ВК-6.
В промышленности часто используется проволочный электрод, что по-
зволяет вырезать изделия со сложным контуром (рис. 8.3.)
Рис. 8.3. Пример изготовления изделия со сложным контуром электроэрозионной обра-
боткой проволочным электродом.
Электроимпульсная обработка (ЭИмО)
основана на повышенной эрозии анода при подаче униполярных импульсов малой и средней продолжительности. Униполярные импульсы создаются электромашинным или электронным генератором. Продолжительность им-
пульса составляет 500 …10 000 мкс. Заготовку размещают на изоляторе в ванне с диэлектрической жидкостью. По сравнению с ЭИсО, ЭИмО позволя-
548
ет в 2 … 5 раз повысить производительность обработки и стойкость инстру-
мента, но не обеспечивает высокой точности обработанной поверхности. По-
этому ЭИмО целесообразно применять для черновой обработки обширных полостей, фасонных наружных поверхностей и отверстий.
Высокочастотная электроискровая обработка основана на использо-
вании высокочастотных (100 … 150 кГц) импульсов при малых энергиях раз-
ряда. Производительность метода в 30 … 50 раз выше по сравнению с ЭИсО,
при одновременном повышении точностных параметров обработанной по-
верхности.
Электроконтактная обработка основана на локальном нагреве заго-
товки 1 (рис. 8.4) в месте ее контакта с инструментом – электродом 2 и
Рис. 8.4 Схема электроконтактной обработки:
1 – заготовка; 2 – инструмент (электрод); 3
– скользящий контакт; 4 - трансформатор;
Dр, Ds – движения инструмента.
удалении размягченного или расплавленного материала из зоны обработки механическим путем. Источником образования теплоты в зоне обработки яв-
ляется импульсный дуговой разряд. Питание электрической цепи произво-
дится трансформатором 4 через скользящий контакт 3.
Электроконтактную обработку применяют при сверлении, точении,
разрезании заготовок.
8.2. Электрохимическая обработка
Электрохимическая обработка (ЭХО) основана на анодном растворе-
нии материала заготовки при электролизе. При прохождении постоянного электрического тока через электролит 6 (рис. 8.5), на поверхности анода – за-
готовки 3 происходят химические реакции, и поверхностные слои металла
превращаются в химические соединения. Продукты электролиза удаляются центробежным насосом 5.
Рис. 8.5. Схема установки для электрохимической обработки:
1 – центробежный фильтр; 2, 5 –
насос; 3 – заготовка - анод; 4 –
инструмент – катод; 6 – электро-
лит.
Скорость растворения материала заготовки прямо пропорционально связана с плотностью тока, которая будет больше там, где меньше зазор между ано-
дом (заготовкой) и катодом (инструментом). По мере обработки происходит копирование профиля катода на аноде. Интенсивное движение электролита,
обеспечивает стабильное и высокопроизводительное течение процесса анод-
ного растворения, вынос продуктов растворения из зоны обработки и охлаж-
дение заготовки.
ЭХО позволяет обрабатывать нежесткие заготовки, сложно – фасонные заготовки; фасонные полости или фасонные глухие (сквозные) отверстия в
труднообрабатываемых материалах, на-
носить сложный рельеф (рис. 8.6).
Рис. 8.6. Примеры электрохимической обработки заготовок:
а - пресс-форма из стали 18ХГТ; б –
фильера из твердого сплава ВК8; в – пу-
ансон из твердого сплава ВК8; г – пресс-
форма из быстрорежущей стали Р6М5К5МО; д – регулярный рельеф
«рыбья чешуя» - твердый сплав Т15К6.
Кроме размерной обработки ЭХО позволяет проводить электрохимиче-
ское полирование (ЭХП), анодно-механическую обработку (АМО).
Электрохимическое полирование основано на анодном растворении выступов микронеровностей поверхности заготовки при электролизе. При этой обработке, заготовку помещают в ванну с электролитом. В зависимости от обрабатываемого материала, электролитом служат растворы кислот или щелочей. Заготовку подключают к аноду. Катодом служит пластина из свин-
ца, меди или стали. При замыкании электрической цепи начинается раство-
рение материала анода. Растворение идет по выступам микронеровностей
(наибольшая плотность тока – на вершинах выступов). Продукты растворе-
ния, оксиды или соли, имеющие пониженную проводимость, заполняют впа-
дины микронеровностей и препятствуют растворению металла. Избиратель-
ная скорость растворения по выступам и впадинам сглаживает микронеров-
ности. Обработанная поверхность получает металлический блеск.
ЭХП уменьшает глубину микротрещин, не деформирует заготовку, ис-
ключает термические изменения структуры. Способ позволяет обрабатывать нежесткие заготовки одновременно по всей поверхности. Наибольшее при-
менение способ получил для финишной обработки ответственных деталей и режущих инструментов. Внешний вид поверхности после ЭХП показан на рис. 8.7.
Рис. 8.7. Внешний вид поверхности:
а – до электрохимического полирования (Rа
2,4 мкм); б – после электрохимического поли-
рования (Rа 0,02 мкм); материал заготовки – сталь 40Х.
Анодно-механическая обработка основана на комбинированном меха-
ническом, электроэрозионном и электрохимическом воздействии на матери-
ал заготовки. Заготовку – анод и режущий инструмент – катод включают в
551
общую электрическую цепь постоянного тока. В зазор между ними подают электролит (жидкое стекло – водный раствор силиката натрия). Вследствие анодного растворения на заготовке образуется защитная пленка, которая раз-
рушается режущим инструментом. При снятии пленки между выступающи-
ми частями электродов происходят электрические разряды, что приводит к электрической эрозии. Применение комбинации из трех процессов позволяет за счет регулирования энергии отдельных составляющих проводить обработ-
ку в широких пределах. При черновой обработке операцию выполняют при больших плотностях тока. Основное значение имеет тепловое электроэрози-
онное воздействие, приводящее к интенсивному снятию материала заготовки в результате плавления и взрывообразного испарения металла в среде элек-
тролита. Анодное растворение необходимо только для образования защитной пленки, обеспечивающей концентрацию дуговых разрядов на вершинах мик-
ронеровностей. Механическое воздействие обеспечивает вынос продуктов разрушения из зоны обработки. Чистовую обработку осуществляют при ма-
лых плотностях тока. Основное значение имеет механизм анодного раство-
рения и механического разрушения пленки. Эти процессы текут по вершинам микронеровностей, что позволяет существенно уменьшить шероховатость поверхности и повысить точность обработки.
АМО подвергаются все токопроводящие материалы, высокопрочные и труднообрабатываемые сплавы; твердые сплавы; вязкие материалы. АМО позволяет разрезать заготовки, прорезать пазы и щели, точить заготовки, об-
рабатывать плоские поверхности, полировать поверхности, затачивать ре-
жущий инструмент.
8.3. Импульсно-механическая (ультразвуковая) обработка
Ультразвуковая обработка (УЗО) основана на явлении магнитострик-
ции, т.е. способности сердечника из ферромагнитных материалов изменять свои поперечное сечение и длину под воздействием переменного магнитного поля.
Принципиальная схема УЗО показана на рис. 8.8.
Рис. 8.8 Принципиальная схема установки для ультра-
звуковой обработки:
1 – резервуар; 2 – насос; 3 –
суспензия; 4 – кожух; 5 –
сердечник; 6 – ультразвуко-
вой генератор; 7 – источник постоянного тока; 8 – кон-
центратор; 9 – пуансон; 10 –
заготовка; 11 – стол; 12 -
ванна.
Заготовку 10 помещают в ванну 12 заполненную абразивной суспензи-
ей 3. К заготовке подводят инструмент – пуансон 9, закрепленный на торце концентратора 8. Концентратор закреплен в магнитострикционном сердеч-
нике 5, установленном в кожухе 4. Через кожух пропускают охлаждающую жидкость. Колебания сердечника возбуждаются с помощью генератора ульт-
развуковой частоты 6 (частота 16 … 30 кГц; амплитуда колебаний 5 … 10
мкм) и источника постоянного тока 7.
Абразивную суспензию прокачивают насосом 2 через систему: ванна – резервуар 1. Концентратор увеличивает амплитуда колебаний до 40 … 60
мкм.
Колебательные движения инструмента передаются абразивным зернам суспензии. В результате соударений об обрабатываемую поверхность, абра-
зивные зерна скалывают микро частички материала заготовки. Большое чис-
ло соударений (до 30 000 в секунду) и кавитация обуславливают интенсивное разрушение поверхностного слоя заготовки.
