Фролов ЭМ.Технология изготовления деталей машин

При обработке в воздушной среде дли­ тельность импульсов обычно больше, чем при процессе в жидкости, поэтому глубина изме­ ненного слоя получается значительно больше. После электроконтактного разрезания в воз­ душной среде на заготовке наблюдается литая структура.

Глубина Н (мм) измененного слоя для стальных заготовок в зависимости от вида обработки:

Если Я>0,1 мм, у всех сплавов, как правило, наблюдаются мйкротрещины. На­ грев заготовки перед обработкой позволяет снизить толщину измененного слоя в не­ сколько раз, однако при этом необходимо использовать негорючие рабочие среды, что усложняет конструкцию станков и их обслу­ живание.

Состояние поверхностного слоя опреде­ ляет износостойкость, прочность и другие свойства детали в механизме. После электро­ эрозионной обработки поверхностный слой приобретает свойства, по-разному влияющие на эксплуатационные характеристики деталей. Положительными являются повышение твер­ дости поверхности при сохранении вязкости сердцевины, большое количество лунок на поверхности, плавное их сопряжение. К не­ достаткам следует отнести возможность появ­ ления трещин, растягивающих напряжений, трудность получения поверхности с малой шероховатостью.

2.4.3. ОБОРУДОВАНИЕ И ИНСТРУМЕНТ

Станки для электроэрозионной обработ­ ки в отличие от механообрабатывающих име­ ют генератор импульсов, систему очистки и подачи рабочей среды в зону обработки, сред­ ства регулирования и управления процессом. На рис. 2.4.5 показана типовая структура электроэрозионного станка.

Механическая часть 1 включает рабочий

стол для установки и закрепления приспособ­ лений или заготовки, ванну для рабочей жид­ кости, устройство для закрепления электродаинструмента, механизмы его перемещения, следящие элементы систем регулирования и управления процессом.

Рис. 2.4.5. Структурная схема

электроэрозионного станка

Генератор импульсов 2 может быть как

встроенным, так и вложенным в виде авто­ номного блока.

Электрошкаф 3 включает электрические узлы — пускатели, рубильники, предохраните­ ли и др. Рабочая жидкость хранится в ванне 4, которая комплектуется насосом и устройством для очистки среды от продуктов обработки. В большинстве электроэрозионных станков ванну помешают внутри механической части, сокращая потребную для размещения станка производственную площадь.

Электроэрозионное оборудование вы­ пускается серийно или изготовляется по ин­ дивидуальным заказам. Оно может быть уни­ версальным, специализированным и специальным.

В нем используют унифицированные узлы — генераторы, приводы, регуляторы, — пригод­ ные для комплектования различных видов станков.

Генераторы импульсов. При расчете и выборе генератора исходят из условия полу­ чения формы и мощности импульса, необхо­ димых для обеспечения требуемых технологи­ ческих показателей процесса. Черновую и чистовую обработку обычно ведут от одного и того же генератора. В электроэрозионных станках используют релаксационные, машин­ ные, магнитонасыщенные, ламповые и полу­ проводниковые генераторы.

Вмашинных генераторах энергия им­ пульсов достигает больших значений, что позволяет проводить обработку крупных заго­ товок с высокой производительностью. Одна­ ко данный тип генераторов практически не применяется на производстве из-за повышен­ ного уровня шума при работе.

Врелаксационных (RC, RLC, RCL, CL, LC — схемы) генераторах значительная-^асть энергии теряется на нагрев резистора и дру­ гие потери. Поэтому КПД таких генераторов

не превышает 25 %. Мощность RC-генерато- ров обычно ограничивают 5 ... 7 кВт, т.е. ис­ пользуют их в основном для чистовой обра­ ботки. Включением в зарядную цепь индук­ тивного элемента L (RLC-генератор) удается ускорить процесс зарядки конденсатора и увеличить напряжение на нем.

За счет сокращения времени прохожде­ ния тока через резистор снижаются потери на его нагрев, поэтому КПД RLC-генераторов значительно выше.

RLC-генераторы используют для чисто­ вых операций, где необходимо сохранить без изменений форму электрода-инструмента.

С целью повышения КПД создают гене­ раторы, в которых вообще исключен токоограничивающий резистор. Так, в LC-схеме в зарядную цепь введен электромагнитный виб­ ратор. Это усложняет настройку, поэтому LCсхема используется для какого-либо одного режима. Благодаря большой мощности эти генераторы применяют в основном на черно­ вых операциях.

В релаксационных генераторах не удает­ ся добиться высокой производительности процесса, так как с ростом энергии импульса возрастает время накопления заряда и падает частота импульсов. Большие возможности повышения производительности имеют лам­ повые и магнитонасыщенные генераторы.

К недостаткам ламповых генераторов относятся низкий КПД, необходимость при­ менения источников питания с напряжением до нескольких тысяч вольт, необходимость принудительной прокачки жидкости через промежуток, ограничения энергии импульса.

Более высокая энергия импульса может

быть получена в магнитонасыщенных генера­ торах.

Использование управляемых полупровод­ никовых приборов позволяет создать генерато­ ры с широким диапазоном режимов обработ­ ки, у которых частота следования импульсов не зависит от свойств межэлектродного про­ межутка. Известно два вида генераторов этого типа: на основе инверторов, в которых управ­ ляемые тиристоры регулируют период зарядки и разряда конденсатора в релаксационных

генераторах, и широкодиапазонные генераторы импульсов.

Широкодиапазонные генераторы выра­ батывают импульсы с частотой 1 ... 880 кГц и выходным током 16 ... 180 А, т.е. дают воз­ можность работать на любых режимах элек­ троэрозионной обработки. Кроме того, они вырабатывают импульсы такой формы, при которой износ электрода-инструмента стано­ вится минимальным.

Характеристики некоторых видов гене­ раторов приведены в табл. 2.4.1.

Материалы. Для чистовой обработки, осуществляемой обычно на электроискровом режиме, наиболее часто используют инстру­ менты из обычной и пористой меди, латуни. Медь должна быть без примесей, так как даже минимальные включения других элементов резко снижают электроэрозионные свойства, повышают износ. Для черновых операций, выполняемых на электроимпульсном режиме, в качестве материала электродов-инструмен­ тов применяют графитовые и меднографитовые композиции, алюминий, цинко­ вые сплавы. Графитовые сплавы стремятся выбирать мелкозернистой структуры — они обладают повышенной механической прочно­ стью. Из таких материалов можно создать инструменты с острыми углами и тонкими перемычками, эффективные на чистовых опе­ рациях. К недостаткам следует отнести повы­ шенную стоимость по сравнению с материа­ лами с более крупными зернами и более низ­ кую производительность процесса. Для чисто­ вых операций чаще применяют дешевые и стойкие графитовые материалы с укрупнен­ ным зерном.

Для изготовления мелких отверстий ис­ пользуют инструменты из вольфрама, молиб­ дена, латуни. Вольфрам и молибден обладают высокой эрозионной стойкостью в широком диапазоне режимов. Но это дорогие, дефи­ цитные, трудно поддающиеся обработке мате­ риалы.

Для электроконтактной обработки при­ меняют инструменты из меди, латуни, чугуна, дешевых марок стали. Возможно применение и обычных эрозионно-стойких материалов. Серый чугун имеет удовлетворительную эро­ зионную стойкость при обработке на всех режимах. Он хорошо обрабатывается, недо­ рог, из него выполняют электроды-инстру­ менты для чистовых операций.

Непрофилированные электроды-инстру­ менты обычно изготовляют из вольфрамовой или латунной проволоки. Вольфрамовая про­ волока имеет большую удельную прочность, но низкую удельную проводимость и приме­ няется для электродов диаметром до 0,08 мм.

Конструкция. В зависимости от назначе­ ния и материала электроды-инструменты мо­ гут быть цельными или сборными.

При прошивании применяют электро­ ды-инструменты в виде стержней и трубок из проката различных сечений. В них рабочая и технологическая части объединены. Отверстия в трубках могут быть круглыми, прямоуголь­ ными, винтовыми и др. Медные стержни и трубки выпускают серийно: их минимальный наружный размер 0,2 мм; допустимая пофешность ±0,01 мм. Аналогичные электроды-

инструменты могут быть выполнены из лату­ ни, алюминия и его сплавов.

Для прошивания отверстий используют проволоку диаметром ^„р ~ 0,025 ... 1,5 мм, с погрешностью не более ±1,5 % от номиналь­ ного размера.

Для прошивания полостей применяют сплошные или сборные электроды-инстру­ менты из графитовых материалов. Иногда корпус электрода-инструмента выполняют из дешевого конструкционного материала, а на рабочую часть гальваническим методом или напылением наращивают эрозионно-стойкий слой.

Сборные электроды-инструменты могут быть выполнены, например, из набора стерж­ ней или трубок.

При электроэрозионном шлифовании в качестве инструмента используют металличе­ ский или графитовый диск; для отрезания применяют диски из листового материала с толщиной от 0,3 ... 0,5 мм до нескольких миллиметров или стальную ленту, переме­ щающуюся по шкивам. Толщина ленты не превышает 1 ... 1,5 мм.

Инструменты из меди, алюминия и их сплавов обьшно изготовляют штамповкой, вьггяжкой, прокаткой. Точность изготовления соответствует 8 ... 10-му квалитету, параметр шероховатости поверхности Ra = 2,5 ... 5 мкм. Для придания электродам-инструментам пря­ молинейности их правят в специальных при­ способлениях.

Заготовки для электродов-инструментов, имеющих сложную объемную форму, выпол­ няют литьем. Это экономически целесообраз­ но, если требуется значительное количество одинаковых инструментов. Например, при литье в оболочковые формы их должно быть не меньше 50. Вследствие усадки литые заго­ товки имеют невысокую точность и требуют дополнительной механической обработки лезвийным и абразивным инструментом (точение, фрезерование, сверление, шлифова­ ние и др.). Для точного базирования электро­ да-инструмента в станке его обрабатывают совместно с электродержателем, используя в качестве установочных баз присоединитель­ ные к станку элементы электрододержателя.

При механической обработке меди, алюминия и их сплавов передние углы инст­ румента должны быть невелики. Скорость резания для твердосплавных резцов и фрез достигает 5 м/с, подача на оборот — до 0,3 мм. В случае обработки графитовых материалов желательно использовать твердосплавный инструмент с передним углом 10 ... 12° при скорости резания до 6 м/с, подаче при фрезе­ ровании до 10 мм/с, глубине резания на чис­ товых операциях порядка 0,5 ... 2 мм. Инст-

рументы из графитовых материалов шлифуют. При этом необходимо оснащать станки мест­ ной вьггяжной вентиляцией или пылеулови­ телями.

Цельные электроды из графитовых ма­ териалов можно изготовить методом вихре­ вого копирования.

Графитовые, медно-графитовые, вольфрамокобальтовые электроды-инструменты можно получать по технологии порошковой металлургии. Так изготовляют пустотелые и сплошные конструкции. Форма рабочей по­ верхности таких инструментов повторяет конфигурацию пресс-форм. Этот процесс рентабелен только при выпуске значительных партий одинаковых электродов-инструментов. К недостаткам процесса следует отнести не­ равномерность свойств материала после прес­ сования, особенно при сложной конфигура­ ции электрода-инструмента.

Нанесение на рабочую поверхность эро- зионно-стойкого материала возможно элек­ тродуговым, плазменным, газоплазменным напылением. В этом случае вместо корпуса часто применяют модели многократного ис­ пользования из керамики, графита, сталей, алюминия, чугуна. Модели могут бьггь сбор­ ными, что упрощает их изготовление. Напы­ ление проводят в две стадии: сначала наносят основу из коррозионно-стойкой стали, затем слой эрозионно-стойкого материала толщи­ ной 1,5 ... 2 мм. Полученную оболочку сни­ мают, крепят к электрододержателю и уста­ навливают на станок. При гальваническом методе формообразования рабочей части можно применять модели из металлов, пласт­ масс, гипса, легко поддающихся обработке. На нетокопроводящие модели сначала осаж­ дают химическим путем токопроводящий слой, далее его наращивдют до требуемой толщины эрозионно-стойким материалом. Предельная толщина слоя 2 ... 5 мм. Модели могут быть одно- и многоразового использо­ вания. После гальванического осаждения ме­ талла рабочая поверхность имеет высокую точность размеров, малые параметры шерохо­ ватости и не нуждается в дальнейшей обра­ ботке. Площадь рабочей части может дости­ гать сотен квадратных сантиметров. Недостат­ ками методов являются зависимости толщины слоя от формы модели и большая длитель­ ность процесса (до 100 ч на 1 мм толщины).

Для изготовления рабочего профиля ис­ пользуют также электрохимический, электро­ эрозионный, ультразвуковой методы. Так, электроды-инструменты, предназначенные для изготовления сеток с мелкими прямо­ угольными отверстиями, целесообразно вы­ полнять непрофилированным проволочным электродом. С этой целью торцовую поверх­

ность заготовки разрезают вдоль оси взаимно перпендикулярными пазами.

Электроды-инструменты для шлифова­ ния получают механической обработкой и прессованием, электроды-инструменты для отрезания — штамповкой из листа с после­ дующей термофиксацией (круглые) или свар­ кой концов ленты (ленточные).

Кроме того, при изготовлении электро­ дов-инструментов используют пайку, склеи­ вание и другие технологические процессы, применяемые в машиностроении.

сп и с о к ЛИТЕРАТУРЫ

1.Золотых Б.Н., Любченко Б.М. Инже­ нерные методы расчета технологических па­ раметров электроэрозионной обработки. М.: Машиностроение. 1981. 51 с.

2.Коваленко B.C. Технология и обору­ дование электрофизических и электрохимиче­ ских методов обработки материалов. Киев: Вищ. шк. 1983. 176 с.

3.Лазаренко Б.Р. Электрические спосо­ бы обработки металлов и их применение в машиностроении. М.: Машиностроение, 1978. 40 с.

4.Смоленцев В.П. Изготовление инст­ румента непрофилированным электродом. М.: Машиностроение, 1967. 158 с.

5.Справочник по электрохимическим и элект1)офизическим методам обработки / Под ред. В.А. Волосатова. Л.: Машиностроение, 1988. 719 с.

6.Фотеев Н.К. Технология электроэро­ зионной обработки. М.: Машиностроение, 1980. 80 с.

7.Электрофизические и электрохимиче­ ские методы обработки материалов / Под ред. В.П. Смоленцева. Т.1. М.: Высш. шк. 1983. 247 с.

8.Электроэрозионная и электрохимиче­

ская обработка / Под ред. А.Л. Лившица, А. Роша, 4.1. М.: НИИМАШ, 1980. 224 с.

Глава 2.5

ЭЛЕКТРОХИМИЧЕСКАЯ ОБРАБОТКА

2.5.1.МЕТОДЫ И ТЕХНОЛОГИЧЕСКИЕ ПРОЦЕССЫ ЭЛЕКТРОХИМИЧЕСКОЙ ОБРАБОТКИ

Электрохимическая обработка (ЭХО) осуществляется в среде электролита за счет анодного растворения металла.

Классификация технологических методов

исхем:

1.Обработка с неподвижными электро­

дами.

По ЭТОЙ схеме выполняют:

1.1.Безразмерную обработку (электрохи­ мическое полирование).

1.2.Размерное формообразование при высоких плотностях тока, достигаемых раз­ мещением инструмента (катода) и заготовки (анода) на расстоянии десятых и сотых долей миллиметра путем локализации процесса (трафаретами, диэлектрическими покрытия­ ми). Этим методом удается получить мелкие (в пределах миллиметра) углубления, выпол­ нять безразмерную чистовую обработку по­ верхностей, изготовлять отверстия, удалять заусенцы, наносить информацию. По мере обработки межэлектродный зазор возрастает и процесс затухает.

2. Обработка с подвижными электродами,

при которой межэлектродный зазор поддер­ живается постоянным путем сближения элек­ тродов на глубину, равную толщине удален­ ного металла. При такой схеме требуются достаточно сложные системы регулирования зазора, однако обеспечивается возможность поддержания стационарного режима обработ­ ки и стабильного анодного растворения ме­ талла на любой глубине. Это снимает ограни­ чения по величине удаляемого с заготовки припуска.

Рассматриваемая схема реализуется в следующих методах обработки:

2.1. Прошивание углублений. Если от­ верстия имеют малое сечение, то в качестве инструмента может использоваться струя электролита, подаваемая через сопло от като­ да-инструмента к детали. Процесс протекает при высоких (до нескольких сот вольт) на­ пряжениях в химически активных электроли­ тах (щелочах, кислотах). Этот метод позволяет получить, в основном, круглые отверстия диаметром до 2 мм и примерно такой же глу­ бины.

Для отверстий с диаметром более 0,5 мм применяют метод прошивки трубчатым элек­ тродом-инструментом, через который прока­ чивают электролит на базе нейтральных солей

(хлорида натрия, нитрата натрия и др.). На электроды подают безопасное для работаю­ щего напряжение. Межэлектродный зазор поддерживают обычно постоянством плотно­ сти тока или стационарной подачей инстру­ мента. Частным случаем метода является формообразование криволинейных отверстий с постоянным радиусом кривизны.

При большом отношении (больше 1) площади обрабатываемой поверхности к глу­ бине обработки метод имеет название: элек­ трохимическое копирование. К его особенно­ стям относится: необходимость в сложных системах электрода-инструмента, в проекти­ ровании системы щелей и отверстий для под­ вода электролита. Этим методом изготовляют рабочие поверхности лопаток энергетических машин, межлопаточные каналы цельных ро­ торов, гравюры ковочных штампов. Техно­ логические процессы электрохимической об­ работки лопаток и ковочных штампов находят наибольшее использование в машинострое­ нии и успешно заменяют традиционные ме­ тоды механической обработки на этих опера­ циях.

2.2. Точение наружных и внутренних поверхностей (рис. 2.5.1).

При такой схеме электрод-инструмент 1 выполняет роль резца, но в отличие от обра­ ботки на токарных станках он не имеет меха­ нического контакта с заготовкой 2, а находит­ ся от нее на расстоянии s (межэлектродный зазор). Электрод-инструмент может работать по схеме врезания с подачей поперек заготов­ ки со скоростью t;„ продольного точения, с

подачей вдоль заготовки со скоростью v^ или

с одновременным перемещением в обоих направлениях. Межэлектродный зазор может поддерживаться с помощью системы регули­ рования (рис. 2.5.1, а) или путем установки диэлектрических прокладок 3 (рис. 2.5.1, б) с толщиной, равной величине межэлектродного зазора.

Рис. 2.5.2. Схема протягивания:

/р — длина рабочей части электрода

2.4. Разрезание заготовок может выпол­ няться прошиванием пластиной, вращаю­ щимся диском (рис. 2.5.3, а) или проволокой (рис.2.5.3, б). Электрод-инструмент 1 подают к заготовке 2 со скоростью ^и, поддерживая постоянный межэлектродный зазор s. Заго­ товка может оставаться неподвижной или вращаться (при обработке диском). Электро­ лит может поступать через сопло (рис. 2.5.3, б) поливом или через электрод-инструмент. Скорость его движения г^э- Диском можно разрезать заготовки с плоским торцом, прово­ локой — получать фасонные профили. Оба инструмента позволяют получать пазы, щели, подрезать пружины и другие нежесткие дета­ ли.

С/А

7777 J

Рис. 2.5.3. Схемы резания заготовок:

а- диском;

б- непрофилированным электродом-проволокой

Рис. 2.5.4. Схема шлифования

2.6. Гравирование выполняют торцом трубки или стержня, перемещаемых вдоль заготовки без касания электродов. Электролит подают вдоль стержня или через трубку. Ис­ пользуя имеющиеся копировальные устройст­ ва, можно получать тексты, рисунки на xjjynких, труднообрабатываемых сплавах.

Технологические параметры процесса. Напряжение источника. Постоянное напряже­ ние выбирают в зависимости от обрабатывае­ мых материалов, технологических операций и потерь в подводящих сетях. Нижний предел напряжения составляет 4 ... 5 В, верхний - около 30 В. При большом значении наступа­ ют пробои и нарушения стабильности про­ цесса. Для большинства технологических опе­ раций применяют напряжение 10 ... 12 В, кроме обработки титановых сплавов, где на­ пряжение достигает 30 В и шлифования (6 ... 8 В). Исключение составляет струйный метод, где напряжение выбирается в пределах 100 ... 800 В.

При импульсном напряжении его вели­ чина возрастает до тысяч вольт, но пробоя не происходит из-за кратковременности импульса.

Часть напряжения, поступающего на электроды, теряется за счет потерь на нагрев, образования газов, побочных реакций. При­ ближенно можно принять для электролитов на базе хлорида натрия потери 1,7 ... 2,4 В, на базе нитрата натрия 3,2 ... 4,5 В.

Состав и скорость подачи электролита. Электролит определяет скорость растворения металла. Он должен обеспечивать высокую скорость съема припуска, требуемое качество поверхности и точность обработки.

Состав электролита выбирают в зависи­ мости от обрабатываемого материала или осо-

бых требований, предъявляемых к детали (например, получение шероховатости задан­ ного профиля, маркирования).

В качестве электролитов чаще исполь­ зуют водные растворы неорганических солей с добавками, которые снижают коррозию, подцерживают постоянство химического со­

става, снижают гидравлические потери, уско­ ряют очистку электролита.

В табл. 2.5.1 приведены составы элек­ тролитов для различнь1х обрабатываемых сплавов, а в табл. 2.5.2. - добавки к электро­ литам.

Рекомендации по применению

Ингибитор коррозии

Снижение защелачивания элек­ тролита, поддержание свойств

Снижение пассивирующего дей­ ствия окисной пленки

Снижение гидравлических по­ терь и устранение кавитации, улучшение смачиваемости по­ верхности детали; ускорение осаждения продуктов обработки