25

Раздел 2. Методы обработки, связанные с прохождением электрического тока

Вразделе содержится 4 темы, в которых рассматриваются методы обработки металлов, основанные на воздействии электрического тока на обрабатываемый материал: электрохимическая обработка, электроэрозионная обработка, электрогидроимпульсная обработка и обработка с использованием индукционного нагрева. При изучении каждой темы особое внимание следует обращать на физическую сущность методов,

атакже технологическим возможностям использования этих методов. После изучения темы нужно ответить на вопросы для самопроверки.

2.1.Электрохимическая обработка

Вданной теме Вы должны изучить: физическую сущность процессов, протекающих при электрохимической обработке; виды электролитов, используемых при обработке; инструменты для электрохимической обработки; реализацию различных видов технологических процессов обработки; средства технологического оснащения; достоинства и недостатки электрохимической обработки.

Удаление материала при электрохимической обработке (ЭХО) происходит под действием электрического тока в среде электролита без непосредственного контакта между инструментом и заготовкой. В основе этого процесса лежит явление анодного растворения металлов в движущемся (проточном) электролите.

Косновным достоинствам электрохимической размерной обработки относятся:

1)высокая производительность, достигающая десятков тысяч кубических миллиметров в минуту и принципиально не имеющая ограничений;

2)полное отсутствие износа электрода-инструмента; возможность повышения качества и производительности, что не характерно для других механических или электрических способов обработки; высокое качество обработанной поверхности;

3)наличие некоторого саморегулирования процесса при обработке заготовок из сплавов неоднородного кристаллического строения,

26

приводящего к равномерному растворению материала с их поверхности.

Кнедостаткам процесса относятся:

1)высокая энергоемкость; необходимость принятия специальных мер для удаления отходов (шлама и газов);

2)затруднения в управлении процессом при обработке сложнопрофильных деталей с высокой точностью;

3)необходимость обеспечения интенсивной циркуляции электролита в процессе обработки;

4)некоторое снижение выхода по току при возрастании плотности тока.

2.1.1. Процессы электрохимической обработки

Электрохимическая обработка использует анодное растворение металла заготовки [2], [3]. Растворение (съем) металла происходит в результате электролиза материала электродов, соединенных с источником постоянного тока и погруженных в токопроводящий раствор – электролит. Электрод, соединенный с положительным выводом источника тока, является анодом (заготовка). Второй электрод (катод) соединен с отрицательным выводом источника тока и является инструментом (рис. 2.1.1). Подробнее суть процесса электролиза рассмотрена в пособии «Техническая физика» (раздел 1.1).

Электролит выполняет одновременно несколько функций: обеспечивает за счет своего состава и электропроводности протекание электрохимического процесса, вынос продуктов электродных реакций, отвод выделившейся при прохождении электрического тока теплоты и т. д.

27

Рис. 2.1. 1. Схема электролиза в воде NaCl:

1- электрод-анод; 2- электролит; 3- источник питания; 4- электрод-катод.

При прохождении электрического тока через электролит происходит растворение анода и осаждение металла на катоде. Во время обработки используют такие электролиты, в которых катионы не доходят до катода и не осаждаются на нем. Только это обеспечивает сохранность формы электрода-инструмента. Для стабилизации обработки и удаления снятого металла часто используют прокачку электролита между заготовкой и инструментом.

Для обеспечения устойчивости обработки необходимо создать течение электролита между заготовкой и инструментом, удаляющее снятый металл и газы, предотвращающее нагрев электролита. Наибольшее влияние на точность обработки оказывает газосодержание электролита. Исходя из этого, необходимо обеспечивать определенную скорость течения электролита. Для этого электролит должен иметь определенное давление на входе в зазор между заготовкой и инструментом, обеспечивающее необходимую скорость его протекания. Давление на выходе из зазора Pвых может быть принято по условиям работы установки. Тогда по падению давления в зазоре можно определить необходимое давление подачи электролита Pвх:

Pвх = Рэ + Pвых .

28

Точность электрохимической обработки зависит как от обычных причин (погрешности технологической системы), так и от стабильности параметров процесса обработки – напряжения, электропроводности, нагрева и газонасыщения электролита. Кроме того, неравномерность припуска заготовки является причиной погрешности, остающейся в конце обработки. Достижимая точность ЭХО – 0,1…0,5 мм, но при высокой стабильности параметров установки ЭХО и зазорах δ < 0,02 мм – до 5 мкм. При ЭХО шлифовании точность соизмерима с обычными методами.

Шероховатость поверхностей при ЭХО зависит от состава электролита, температуры, скорости его протекания и анодной плотности тока. Электролизом получают шероховатость с Ra = 2,5…0,63 мкм, при комбинированных методах – до 0,02 мкм. Снижение температуры электролита, повышение плотности тока и скорости подачи электролита снижают шероховатость.

Качество поверхности можно улучшить также введением в

электролит сжатого воздуха под давлением на 50...100 кПа выше давления электролита.

Некоторые операции ЭХО осуществляют при неподвижных заготовке и инструменте (например, калибрование и маркировку), но большинство разновидностей ЭХО осуществляется при перемещении инструмента относительно заготовки, реже – заготовки относительно инструмента. При точении и абразивной обработке перемещают и заготовку, и инструмент. ЭХО возможна (с неподвижным инструментом) при стабилизации напряжения или тока. При неподвижных заготовке и инструменте по мере увеличения зазора δ скорость съема металла снижается, при движении инструмента – остается неизменной.

При перемещении инструмента относительно заготовки используют непрерывный, циклический или импульсно-циклический режимы.

При непрерывном режиме обработки рабочая подача инструмента выполняется с постоянными скоростью и напряжением. Съем припуска осуществляется в период обработки τэ и требует стабилизации напряжения в пределах 1…3 %. В этом режиме обрабатываются отверстия и полости с точностью до 0,05…0,015 мм.

При циклическом режиме вначале без напряжения устанавливают инструмент с зазором от заготовки на 0,2…0,5 мм. Затем на 5…30 секунд подают напряжение и работают с рабочей подачей инструмента, снимая

29

припуск. Затем выключают напряжение и вновь выставляют зазор 0,2…0,5 мм и повторяют обработку. Стабилизация напряжения может быть более грубой. В этом случае обрабатываются поверхности сложной формы. Достигаемая точность 0,15…0,8 мм.

При импульсно-циклическом режиме инструмент без напряжения устанавливают с зазором от заготовки на 0,03…0,1 мм. Затем в течение 0,1…0,8 секунд подается напряжение импульсной формы и происходит обработка. После этого напряжение снимается, инструмент отводят и прокачивают электролит, затем цикл повторяется. При такой обработке отсутствуют погрешности и не требуется стабилизация напряжения. Обрабатываются поверхности сложной формы с точностью до 0,05 … 0,15 мм.

Обработка должна производиться при скорости подачи инструмента, равной скорости изменения линейных размеров. Это является условием постоянства рабочего зазора и обеспечивается автоматически. Однако в общем случае значение зазора между заготовкой и инструментом неодинаково и зависит от угла α между направлением подачи инструмента и нормалью к обрабатываемому участку заготовки.

Расчеты параметров технологического процесса для разнообразных частных случаев приведены в [1]...[3].

2.1.2.Электролиты

Вкачестве электролитов в ЭХО используют: водные растворы кислот, солей и щелочей (хлориды, нитраты и сульфаты натрия и калия с добавками борной, лимонной или соляной кислот, ингибиторов коррозии (например, нитрит натрия); поверхностно-активные вещества (ПАВ), снижающие гидравлические потери, ОП-7, ОП-10 и др.; коагуляторы и т.д.). Электролиты обеспечивают прохождение электрического тока в зазоре между заготовкой и инструментом, необходимые химические реакции на электродах и при протекании в зазоре уносят отходы от обработки заготовки.

Электролиты должны обладать следующими свойствами:

-иметь невысокую вязкость, быть нетоксичными, взрыво- и пожаробезопасными, некоррозиоактивными;

-не вступать в побочные реакции;

30

-обеспечивать анодное растворение металла заготовки только в зоне обработки (обладать локализующей способностью).

Однако идеальных электролитов нет и при конкретных условиях их использования допустимы те или иные свойства.

Электролиты могут быть одно- и многокомпонентными. Состав и концентрация электролита подбираются в зависимости от свойств обрабатываемого материала и технических требований к операции.

При этом учитывают следующие условия:

-электролит должен иметь высокую электропроводность;

-потенциал материала инструмента должен быть более положительным, чем потенциал осаждения катионов, что предотвращает осаждение катионов металла на инструменте;

-в электролите необходимо наличие активирующих анионов, разрушающих под действием электрического тока оксидные пленки;

-для обеспечения низкой шероховатости и высокой точности размеров заготовки необходимо сродство компонентов металла анода и анионов с электролитом, а также с кислородом;

-равномерный съем металла заготовки достигается при соответствии концентрации анионов, имеющих сродство с компонентами материала заготовки, с процентным содержанием этого компонента;

-обеспечение оптимального состава и концентрации электролита в процессе обработки возможно лишь при непрерывном удалении продуктов электролиза из электролита путем перевода этих

продуктов в нерастворимое состояние.

В табл. 1.3 и 1.4 пособия «Техническая физика» (приложение 1) приведены наиболее распространенные электролиты и их свойства.

Скорость прокачки электролита 5 … 20 м/с.

2.1.3. Инструменты ЭХО

Конструкция электрода-инструмента (ЭИ) для ЭХО определяется видом обработки, типом, материалом, способом крепления и установки, размерами рабочих поверхностей, необходимостью электроизоляционного покрытия (ЭИП) и механической прочностью.

31

Инструменты состоят из рабочих (активных) и пассивных поверхностей. Активные элементы всегда токопроводящие, пассивные могут быть и непроводниками электрического тока.

Материал активных частей должен иметь малое удельное электросопротивление, коррозионную стойкость к действию электролита, высокую адгезию к электроизоляциям, механическую прочность, хорошую обрабатываемость. Этим требованиям соответствуют следующие, широко используемые материалы: стали 65Г, 12Х18К10Т, 2Х13, реже латунь Л63, бронза БрА5, углеграфит, графит ГЛ-2. Рабочие поверхности инструмента должны иметь шероховатость Ra = 1,6 мкм.

Конструктивные части и пассивные элементы инструментов выполняют из сталей Ст З, 45, меди, стиракрила, бутакрила, капролона, эбонита, стеклотекстолита, органического стекла.

Для выделения обрабатываемых поверхностей и концентрации обработки в нужных местах под инструментом и предотвращения влияния пассивных и конструктивных элементов, поверхности инструмента покрывают пленочной электроизоляцией.

Для углеродистых сталей и титанов используют следующие покрытия:

-титановая эмаль Т-1, ЭВ –55...ЭВ-300 толщиной 0,05…0,3 мм;

-фторопластовые лаки Ф-32ЛН, ЛФЭ-23Г толщиной 0,03…0,1 мм;

-эпоксидные лаки ЭП-075, Э-4100 толщиной 0,03…0,1 мм;

-фторопластовые композиции Ф-40ДП, Ф-4МП, Ф-30П толщиной

0,15…0,4 мм.

Для любых сталей и сплавов пригодны: эпоксидно-полиамидные эмали ЭП-586М, ЭП-566 толщиной 0,03…0,08 мм; эпоксидный компаунд ЭП-49Д толщиной 0,1…0,4 мм; эпоксидная краска П-ЭД-177 (зеленая или серая), П-ЭД 91 (серая) толщиной 0,05…0,25 мм. Медь и ее сплавы покрывают краской ПВХ-716 с грунтом ПВХ-0111 толщиной 0,1…0,4 мм.

Защищаемые поверхности должны быть очищены от масла органическими растворителями (уайт-спирит или трихлорэтилен). Оксидные пленки удаляют химическим травлением. Шероховатость обработанных поверхностей 3…10 мкм.

32

2.1.4. Технологические процессы ЭХО и средства технологического оснащения

С помощью ЭХО могут реализовываться различные виды обработки. Рассмотрим эти виды.

1. Отрезка. Инструмент может быть трех видов – металлический диск, абразивный или алмазный круг с электропроводной связкой и металлическая проволока. Электролит подается в зону обработки через сопло. Первая разновидность инструмента используется для резки листов металла и профилей, вторая – для резки заготовок толщиной до 25 мм из труднообрабатываемых материалов, третья – для резки твердых и вязких сталей. Схемы обработки приведены на рис. 2.1.2.

Рис. 2.1.2. Схемы отрезки: 1 – инструмент; 2 – заготовка; 3 – сопло для подачи электролита

При отрезке дисковым металлическим инструментом (рис. 2.1.2, а) используют электролит в виде 15...20 % раствора NaCL. Диаметр диска 150…300 мм, толщина 0,5…1,8 мм. Заготовки могут иметь диаметр 40…200 мм. Технологические режимы приведены в табл. 1.5 пособия «Техническая физика». На рис. 2.1.2, б показана схема отрезания стержневым или проволочным инструментом.

Режимы отрезки ленточным инструментом и отрезными кругами приведены в табл. 1.6 и 1.7 пособия «Техническая физика».

Резка алмазными кругами производится с электролитом в виде 8…10 % раствора NaNO3 с добавкой 0,5 % глицерина.

2. Объемное копирование. Инструмент имеет торцовую рабочую поверхность и двигается поступательно.

33

Схема формообразования при объемном копировании представлена на рис. 2.1.3.

Рис. 2.1.3. Схема формообразования при объемном копировании

Электролит подается через отверстие в инструменте или соплом. Точность размеров 0,1…0,.5 мм. Схемы обработки приведены на рис. 2.1.4.

2

1

Рис. 2.1.4. Схемы объемного копирования: 1 – инструмент; 2 – заготовка

3.Точение. Инструмент перемещается поступательно, перпендикулярно или вдоль заготовки, которая вращается. Обтачиваются заготовки из труднообрабатываемых материалов или тонкостенные заготовки. Схема обработки приведена на рис. 2.1.5.

4.Прошивание. Изготавливаются сквозные или глухие отверстия произвольной формы, при этом инструмент подается поступательно. Электролит поступает через отверстие в инструменте или специальным устройством в рабочий зазор. Возможно также изготовление криволинейных отверстий. Для прошивания отверстий 0,3…1,5 мм используют прошивание струей электролита, по которой пропущен ток. Точность получаемых размеров 0,05…0,1 мм. Схемы обработки приведены на рис. 2.1.6.

34

деталь

V

сопло

S

инструмент

Рис. 2.1.5. Схема точения

Рис. 2.1.6. Схемы прошивания: 1 – инструмент; 2 – заготовка

5.Калибрование. Проводится для повышения точности и уменьшения шероховатости предварительно обработанных поверхностей. Заготовка неподвижна, перемещается инструмент. Электролит подается в зазор между заготовкой и инструментом.

6.Удаление заусенцев. Удаление заусенцев можно выполнять: подводя инструмент к участкам заготовки с заусенцами (рис. 2.1.7) и галтуя обрабатываемые детали в барабанах (рис. 2.1.8).

35

В первом случае, при обработке заготовка и инструмент неподвижны. Электролит подается в рабочий зазор. На рис. 2.1.7 приведен пример удаления заусенцев 4 , остающихся после сверления сообщающихся каналов в топливной или гидроаппаратуре на кромках отверстий. Заусенцы необходимо удалить, а кромки скруглить. Для этого в одно из отверстий заготовки 2 вводится электрод-инструмент 1, наружная поверхность которого покрыта изоляцией 3. Процесс растворения заусенцев и округления кромок занимает доли минуты.

Электролит

Рис. 2.1.7. Схема удаления заусенцев в отверстиях электрохимической обработкой

деталь анод

V

абразивные зерна

Рис. 2.1.8. Электрохимическая галтовка деталей

7.Маркировка деталей. Нанесение знаков на детали производится инструментом-клеймом или через трафарет гладким инструментом. Глубина знаков – 0,2 мм. Электролит подается в зазор между деталью и инструментом.

8.Полировка. Заготовка и катод неподвижно находятся в ванне с электролитом. При обработке уменьшается шероховатость, поверхность

36

получает зеркальный блеск. Ra = 0,08…0,02 мкм. В перечисленных выше видах обработки инструмент не изнашивается.

9.Анодно-механическая отрезка. Резка неподвижной заготовки производится инструментом в виде металлического диска или металлической двигающейся ленты при подаче заготовки. Электролит (жидкое стекло Na2SiO3) подается соплом в зону контакта инструмента и заготовки. При обработке происходит электрохимическое растворение металла заготовки и электротермическое воздействие на нее. Инструмент значительно изнашивается. Диском разрезают труднообрабатываемый металл толщиной до 200 мм, лентой – до 700 мм. Дефектный слой на обработанных поверхностях достигает 0,3…0,8 мм.

10.Шлифование. Используется для обработки плоских цилиндрических и фасонных поверхностей заготовок из труднообрабатываемых материалов. Для этого используются абразивные или алмазные круги с электропроводящей связкой. Электролит подается в зону контакта. Обработка происходит за счет электрохимического и абразивного действия инструмента. Точность обработки периферией абразивных и алмазных кругов – 0,01…0,02 мм, торцовой поверхностью – 5…8 мкм (на длине 100 мм), шероховатость поверхностей Ra = 2,5…0,63 мкм. Для инструмента используются абразивные материалы: электрокорунд 14А, 15А, 18А; синтетические алмазы АС2, АС4, АС6, АС15, АС20, АС32, АС50. Для различных материалов заготовки применяются следующие связки токопроводящих абразивных инструментов: М1, МС6 (инструментальные стали); МВ1 (твердосплавный инструмент), МО13, МО16, Н20 (титановые сплавы, нержавеющие и жаропрочные сплавы); Х-8 (магнитные и жаропрочные сплавы).

ЭХО исключает при шлифовании хрупких сплавов (например, магнитов) сколы и прижоги. Кинематика движения инструмента и заготовки повторяет обычное шлифование.

11.Заточка инструмента. Используется алмазный круг с токопроводящей связкой. Затачиваются резцы, фрезы и другой инструмент

ствердосплавными пластинами. Электролит подается через сопло в зону обработки. В данном случае сочетаются ЭХО и абразивное воздействие. Вначале обработку ведут при 3…4 В, затем 6…8 В, чистовая обработка ведется без напряжения.

37

12.Доводка отверстий сложной формы. Инструмент – стержень, шаржированный алмазным порошком, вращается и двигается по контуру отверстия. Электролит подается в зону обработки соплом. Достижимая шероховатость Ra = 0,63…0,16 мкм.

13.Суперфиниширование, хонингование, полирование. Эти методы обработки аналогичны обычным, но используют дополнительно электрохимическое растворение металла. При суперфинишировании и хонинговании электролит подается соплом, полирование производится в ванне с электролитом.

Суперфинишная обработка обеспечивает точность формы 0,6…1 мкм (при исходной погрешности 5…6 мкм), в осевом направлении 12 мкм на 100 мм и обеспечивает шероховатость Ra = 0,04…0,08 мкм при плотности тока 6…20 А/см2 (в зависимости от материала). Хонингование обеспечивает шероховатость Ra = 0,16…0,08 мкм. Плотность тока 2…12 А/см2. При полировке за два перехода использованием 15 % NaNO3 шероховатость доводится до Ra = 0,05 мкм.

При проектировании операций ЭХО следует обратить внимание на выбор такой схемы базирования заготовки, которая обеспечивала бы удобный подвод инструмента и рабочую подачу, крепление токопроводов. Необходимо также учитывать следующее: при обработке нельзя обрабатывать последовательно смежные поверхности несколькими инструментами; имеется конусность боковых поверхностей полостей; на входе инструмента и у дна полостей образуются скругления. Заготовки должны быть очищены от окислов, пленок и загрязнений.

Проведение ЭХО возможно путем оснащения обычных металлообрабатывающих станков источником питания, оборудованием для хранения, очистки и подачи электролита, системой удаления газов, выделяющихся при обработке; системой промывки деталей и станка от остатков электролита, сушки промытых деталей и их пассивации. Структурная схема ЭХО приведена на рис 2.1.9.

39

Вопросы для самопроверки

1.Какими свойствами должны обладать электролиты при электрохимической обработке?

2.Как определить скорость удаления металла с заготовки?

3.Какое эффективное напряжение между инструментом и заготовкой создается при обработке титановых сплавов?

4.Какие покрытия используются для инструментов при электрохимической обработке?

5.Перечислите виды инструментов для резки заготовок электрохимическим методом.

6.Какими способами производится удаление заусенцев?

7.Возможно ли изготовление криволинейных поверхностей?

8.Как перемещается инструмент при электрохимическом точении?

9.В чем особенность шлифовальных кругов при электрохимической обработке?

10.Какие параметры шероховатости можно получить при электрохимическом полировании?

40

2.2.Электроэрозионная обработка

Кэлектроэрозионным методам обработки (ЭЭО) относятся разнообразные способы обработки, в которых отделение материала заготовки осуществляется под воздействием теплоты, выделяющейся в результате электрического импульсного разряда.

Косновным достоинствам электроэрозионной обработки относятся:

1)возможность обрабатывать токопроводящие материалы любой твердости, вязкости, хрупкости;

2)возможность обрабатывать заготовки сложных форм, даже таких, которые невозможно получить другими способами (например, прошивание отверстий с криволинейной осью);

3)отсутствие необходимости в высокой прочности и твердости инструмента;

4)отсутствие механических воздействий на заготовку и инструмент;

5)значительное снижение трудоемкости обработки сложных поверхностей заготовок из труднообрабатываемых материалов.

Кнедостаткам электроэрозионной обработки можно отнести:

1)обратную зависимость между производительностью и качеством обработанной поверхности;

2)для большинства способов ЭЭО обработку необходимо вести при погружении заготовки в жидкость;

3)относительно низкую производительность при обработке материалов невысокой твердости (сталь, цветные сплавы).

2.2.1.Физическая основа электроэрозионного процесса (ЭЭО)

Электроэрозионная обработка (ЭЭО) заключается в изменении формы, размеров, шероховатости и свойств поверхности заготовки в результате электрической эрозии, возникающей при повторяющихся импульсных электрических разрядах между заготовкой и инструментом, погруженными в жидкость. Разряд – импульс электротока в зазоре между заготовкой и инструментом, при котором в малых объеме и времени электроэнергия переходит в тепловую. В канале разряда происходит нагрев, расплавление и испарение материала электродов, его выброс, а также ионизация и распад жидкости, находящейся в рабочем зазоре. При этом образуются также волны, выносящие частицы заготовки из-под инструмента. Рабочая

41

жидкость в зазоре концентрирует действие разряда, сжимает его и делает более кратковременным. Гидродинамические силы выбрасывают частицы металла из зоны разряда.

Разряды инициируются вибрацией инструментов и импульсным питанием от источника тока. Схема ЭЭО приведена на рис. 2.2.1.

Рис. 2.2.1. Схема ЭЭО: 1 – генератор импульсов; 2 – заготовка: 3 – инструмент; 4 – капли расплавленного металла; 5 – эрозионная лунка; 6 – плазменный канал разряда; 7 – газовый пузырь; 8 – рабочая жидкость

Режим ЭЭО подбирается так, чтобы разрушение происходило только на поверхности заготовки, что зависит от материала, инструмента, полярности и формы импульсов. Производительность ЭЭО и шероховатость обработанных поверхностей зависит:

-от свойств материала инструмента;

-энергии, выделяемой при разрядах (или, иначе, от силы тока в разряде);

-от свойств рабочей жидкости.

Сувеличением среднего значения силы тока производительность растет до определенного предела, увеличивается шероховатость поверхности заготовки и износ инструмента [5].

C помощью ЭЭО можно обрабатывать токопроводящие материалы любой механической прочности, твердости, вязкости и хрупкости. При этом нет необходимости в механических усилиях, значительно снижены отходы.

Взависимости от длительности и периодичности импульсов, вырабатываемых источником тока, и способов их формирования различают следующие способы обработки:

1)электроискровой,

2)электроимпульсный,

42

3)электроконтактный.

Вэлектроискровом режиме напряжение пробоя U = 40...180 В,

длительность импульса τимп = 5...200 мкс, сила тока I = 0,5...5 А.

При электроимпульсном режиме U = 18...36 В, τимп = 200 … 10000 мкс, I = 20...120 А. Максимальная производительность достигается при отношении I/τимп = 5...8 мА/с.

Полярность подключения источника тока зависит от длительности импульсов и материала электрода-инструмента. Прямая полярность (на инструмент-электрод подается напряжение от отрицательного полюса источника питания) применяется при обработке с малой длительностью импульсов (электроискровая, высокочастотная). В электроимпульсном режиме применяется обратная полярность. Правильно выбранная полярность существенно снижает износ инструмента, который может составлять от 5 до 300 % массы удаленного с заготовки материала.

При электроконтактном режиме импульсы тока формируются непосредственно в промежутке между инструментом и заготовкой вследствие их относительного движения и наличия микровыступов на рабочей поверхности инструмента (рис. 2.2.2).

Рис. 2.2.2. Принципиальная схема ЭКО: 1 – сопло подачи РЖ; 2 – инструмент; 3 – щеточное устройство; 4 – заготовка ( Vэи – окружная скорость инструмента; ωз скорость рабочей подачи заготовки)

Для электроконтактной обработки (ЭКО) используется преимущественно постоянный ток, заготовка имеет положительную

43

полярность, инструмент – отрицательную. Напряжение применяемого источника постоянного или переменного тока U = 12...60 В.

По напряжению и характеру дуговых разрядов ЭКО может быть контактной (напряжение 12 В), контактно-дуговой в воздухе или жидкости (напряжение 24 В) и дуговой в жидкости (напряжение 60 В).

2.2.2. Рабочие жидкости

Рабочая жидкость, находящаяся в зазоре между заготовкой и инструментом, формирует узкий канал разряда, концентрирующий большие плотности энергии; создает ударные гидродинамические поля, удаляющие продукты эрозии заготовки; стабилизирует процесс разряда, обеспечивая непрерывную последовательность импульсов, и охлаждает инструмент.

Механизм пробоя рабочей жидкости определяется тремя факторами:

1.Ударной ионизацией электронами, находящимися в рабочей жидкости, и образованием пространственного разряда.

2.Эмиссией электронов с поверхности катода.

3.Образованием в рабочей жидкости пузырьков газа, способствующих пробою.

Первые два фактора являются наиболее важными.

Вследствие электронного механизма пробоя жидкости диаметр канала сначала имеет размер несколько микрон и плотности энергии в нем велики,

атемпература достигает 30.000°С. В ходе развития разряда происходит разрыв сплошности рабочей жидкости и возникают ударные волны, распространяющиеся от канала разряда.

Жидкость должна иметь термическую стабильность физикохимических свойств, низкую коррозионную активность к материалам заготовки и инструмента, высокую температуру вспышки, низкую испаряемость, легко очищаться, быть экологически безвредной. В качестве рабочих жидкостей используют низкомолекулярные углеводородные жидкости (керосин, индустриальные масла И12А, ИС20А, их смеси, трансформаторное масло, жидкости PЖ-3, РЖ-8 и вода). Рекомендации по применению рабочих жидкостей для различных видов обработки приведены в пособии (раздел 2.2).

44

Электроконтактную обработку можно выполнять в газовой (воздушной) среде. В зависимости от свойств рабочей среды изменяется доля полезного использования энергии импульса, его предельная мощность. Для каждого вида обработки применяют оптимальные диэлектрические среды.

Роль рабочей среды при ЭКО – локализация разряда, его регулирование; создание пленок на поверхности инструмента, обеспечивающих его термо- и износостойкость; создание пассивирующих пленок на продуктах эрозии, препятствующих анодному растворению; локализация выделения теплоты и охлаждение инструмента и заготовки; удаление продуктов эрозии.

Основные требования к рабочей среде: обеспечение ЭКО, смазочноохлаждающие свойства, невоспламеняемость, стабильность свойств, нетоксичность, антикоррозийность, обеспечение требований охраны труда и экономичность.

Технические требования к рабочим средам приведены в приложении 2, табл. 2.2 пособия «Техническая физика».

Характеристики используемых сред ЭКО приведены в табл. 2.3.

В процессе обработки рабочая среда загрязняется, что снижает производительность. Допустимая загрязненность для черновых режимов – 4...5 % по массе, а для чистовых – 2...3 %.

2.2.3. Инструменты ЭЭО

Инструменты ЭЭО должны быть достаточно жесткими и противостоять различным условиям деформаций (усилиям прокачки РЖ, высокой температуре).

Конструкция инструментов зависит от вида операций, причем в ряде случаев в них предусматриваются каналы для подачи рабочей жидкости. В других случаях подача и отсос выполняются через специальную подставку или обработка ведется в ванне с прокачкой или без нее. Профиль и геометрия рабочей части инструмента выполняют как зеркальное отображение полости детали, причем размеры уменьшаются на величину межэлектродного зазора и припуска на последующую обработку. Расчеты межэлектродного зазора носят приближенный характер. Чаще их определяют экспериментально, после чего корректируют размеры

45

инструмента. Величина торцового зазора – 0,02...0,15 мм, бокового – 0,04...0,45 мм в зависимости от величины и частоты импульсов.

При прошивании отверстий оптимальные длины инструментов в зависимости от его диаметра приведены в приложении 2, табл. 2.2.

В таблице 2.3. (приложение 2) пособия «Техническая физика» приведены материалы инструментов, их применяемость.

Уменьшение износа инструментов достигается правильным выбором материала, параметров импульса тока, свойств рабочей жидкости, снижением вибрации инструмента и площади обрабатываемой поверхности.

2.2.4. Технологические процессы ЭЭО и средства технологического оснащения

Технологические возможности ЭЭО обеспечивают возможность выполнения операций следующих видов:

1. Отрезка. Используется для отрезки заготовок из труднообрабатываемых материалов. Инструментом может быть пластина, вращающийся диск и движущаяся лента или проволока. В первом случае заготовка неподвижна, во втором – вращается, в третьем движется поступательно. Обработку ведут в растворе рабочей жидкости.

46

Рис. 2.2.3. Схемы ЭЭО отрезки: 1 – заготовка, 2 – инструмент, 3 – сопло для подачи технологической среды

2. Объемное копирование. На неподвижную заготовку переносится форма торца инструмента, имеющего осевую подачу и вибрацию. Обработку ведут в ванне с прокачкой рабочей жидкости через каналы в инструменте.

Рис. 2.2.4. Схемы ЭЭО копирования: 1 – заготовка, 2, 4 – инструменты, 3 – каналы для подачи технологической среды

47

3. Вырезание. Используется при обработке деталей штампов, труднообрабатываемых материалов, твердых сплавов и закаленных сталей. Заготовка перемещается по двум координатам, по копиру или программе. Инструментом является проволока, движущаяся относительно заготовки. Обработка ведется в ванне с рабочей жидкостью или с поливом места контакта инструмента и заготовки.

Рис. 2.2.5. Схемы ЭЭО вырезания: 1 – заготовка, 2 – прокладка, 3 – копир, 4 – стол, 5 – инструмент

Использование станков с ЧПУ позволяет получать сложные линейчатые поверхности

Рис. 2.2.6. Некоторые виды поверхностей, получаемые на вырезных станках с ЧПУ с программируемым сложным движением проволоки

48

4. Прошивание. Изготавливают отверстия, окна, щели в труднообрабатываемых материалах. Инструмент вращается и вибрирует вдоль оси. Заготовка перемещается в трех координатах. Обработка ведется в ванне с рабочей жидкостью.

Рис. 2.2.7. Схемы ЭЭО прошивания: 1 – заготовка, 2 – инструмент, 3 – сопло для подачи технологической среды

5. Шлифование. Используется для снятия припуска с твердосплавных заготовок, магнитопроводов электрических машин и постоянных магнитов. Кинематика процесса аналогична обычному шлифованию. Рабочая жидкость подается в зону контакта заготовки и инструмента соплом.

Рис. 2.2.8. Схемы ЭЭО шлифования: 1 – заготовка, 2 – инструмент, 3 – сопло для подачи технологической среды

6. Упрочнение. Изменяются свойства поверхностных слоев заготовки. Инструмент – ручной с электромагнитным вибратором. В зону контакта

49

подается воздух или безокислительный газ. Шаг строчки должен быть не более 0,25 диаметра лунки oт одиночного контакта.

7. Шаржирование. Выполняется проволочным или профилированным инструментом из меди или алюминия с частотой вибрации 50 Гц.

ЭЭО широко используется: для обработки матриц и пуансонов штампов, внутренних отверстий фильер; извлечения сломанных сверл, метчиков, крепежа, изготовления сеток и решеток.

Технологические данные операций электроэрозионной обработки приведены в приложении 2, табл. 2.5 пособия «Техническая физика».

Станки ЭЭО выпускаются как универсальные, так и специальные и специализированные. Данные их приведены в приложении 2, табл. 2.6, 2.7. Для объемной обработки используются генераторы униполярных импульсов, для вырезных работ – генераторы знакопеременных несимметричных импульсов.

В приложении 2, табл. 2.8 приведены характеристики генераторов. Для подачи рабочих жидкостей используют специальные насосы (табл. 2.9), а для очистки жидкости – фильтры (табл. 2.10) пособия «Техническая физика».

2.2.5. Технологические процессы ЭКО

Средства технологического оснащения При ЭКО выполняются операции обработки деталей из

труднообратываемых материалов, в том числе наплавленных износостойкими сплавами, композиционными материалами, твердыми сплавами, ступицы зубчатых колес, литые и штампованные корпуса, детали доменных печей, дробилок, слитки, поковки, прокат, металлургическое оборудование, насосы и т.д.

1.Резка. Заготовка чаще всего погружена в ванну с жидкостью и подается на инструмент. При обработке круглых заготовок их вращают. В некоторых случаях (крупные детали, детали сложной формы) рабочую жидкость в зону разряда подают соплом.

2.Обработка тел вращения. Заготовка вращается. Вращается и инструмент, подаваемый к заготовке. Рабочая жидкость к зоне обработки подается под давлением. Продукты эрозии выносятся жидкостью и дисковым инструментом. Обработка черновая или получистовая.

50

Рис. 2.2.9. Схемы электроконтактной обработки тел вращения: 1 – инструмент; 2 – заготовка

3.Формообразование внутренних полостей. При черновой или получистовой обработке сквозных отверстий диаметром до 200 мм трубчатый инструмент вращается и имеет осевую подачу. Рабочая жидкость подается под давлением в центральное отверстие. Продукты обработки удаляются жидкостью. Возможен вариант обработки в ванне.

4.Нарезка зубьев. Черновая нарезка профиля зубьев производится инструментом, имеющим профиль впадины нарезаемого зуба. Рабочая жидкость подается через сопло.

5.Обработка плоскостей. Черновая обработка производится цилиндрическим или чашечным инструментом, на воздухе или с подачей рабочей жидкости под инструмент через сопло под давлением. Заготовка совершает возвратно-поступательное движение с подачей в конце двойного хода. При работе на воздухе продукты износа уносятся инструментом, в остальных случаях в этом процессе участвует рабочая жидкость.

Вприложении 2, в табл. 2.11 пособия «Техническая физика» приведены характеристики рабочих сред электроконтактной обработки и их использование, в табл. 2.12 приведены основные характеристики ряда установок ЭКО. Эти сведения следует учитывать при выполнении контрольной работы.

2.2.6.Режимы ЭЭО

Взависимости от режимов питания получают черновой, чистовой или доводочный режимы ЭЭО.

Режимы ЭЭО делятся на 3 группы:

51

1.Для предварительной (черновой) обработки, при низких требованиях

кточности и шероховатости, с максимальной производительностью независимо от износа инструмента.

2.Для чистовой обработки заготовок с заданными требованиями пo точности и шероховатости поверхностей, с высокой производительностью при малом износе инструмента.

3.Для доводочной обработки при высоких требованиях к точноcти.

размеров и шероховатости не более Rа = 2,5...1,25 мкм, при минимальном износе инструмента.

При обработке фасонных полостей используют режимы двух групп. Вначале снимают основной припуск на грубых, но производительных режимах, затем получают заданную точность и шероховатость на чистовых и доводочных режимах.

Черновая обработка ведется на частоте 1...3 кГц. Сила тока выбирается соответственно площади обрабатываемой поверхности. Параметры электрических режимов приведены в [1]. Режимы следует выбирать так, чтобы вертикальная подача инструмента была не менее 0,2...0,4 мм/мин. После черновой обработки шероховатость имеет величину Rz = 20... 100 мкм.

Шероховатость уменьшают на чистовых режимах, снижая силу тока, одновременно увеличивая частоту импульсов, заканчивают обработку на частотах 88 или 200 Гц в зависимости от необходимой шероховатости. На частоте 8 Гц работают при силе тока 15...20 А, 22 Гц – 7...10 А, 89 – 200 Гц

– 3...5 А.

При чистовой обработке с графитовым инструментом используют прямоугольные импульсы. При высоких требованиях к точности используют металлический инструмент при питании импульсами гребенчатой формы. Для одновременного обеспечения требований высокой точности и шероховатости чистовая обработка производится последовательно на частотах 22, 44, 88 и 200 Гц с импульсами гребенчатой формы, а затем на частотах 88...200...400 Гц при импульсах прямоугольной формы.

ЭЭО отверстий производится при всех трех режимах. При низких требованиях к точности и шероховатости обработку ведут за один проход. Ток, по сравнению с указанными выше значениями для фасонных поверхностей, увеличивается в 1,5...2 раза при частоте 1...3 кГц. При

52

обработке отверстий диаметром до 10…12 мм используется форсированный по току режим с плотностью тока до 0,3...0,4 А/мм2. Скорость прошивания увеличивается до 2...4 мм/мин.

Если требования по точности и шероховатости отверстия высокие, то обработку ведут на высокопроизводительных черновых режимах, а затем последовательно переходят на чистовые доводочные режимы обработки. На каждом режиме используется свой инструмент. При такой технологии достигается точность отверстий 0,02...0,03 мм.

Черновая обработка делается графитовым инструментом на частоте 8 кГц при плотности тока 0,05...0,1 А/мм2 или медным инструментом на частоте 22 кГц при плотности тока 0,07...0,1 А/мм2.

Чистовая обработка графитовым инструментом производится на частоте 88 кГц, медным – на частоте 200, 440 кГц. Плотность тока

0,03...0,04 А/мм2.

В ряде случаев обработку ведут с вибрацией инструмента на частоте

8...22 кГц с амплитудой 0,005,..0,05 мм.

При выполнении разрезки заготовок из сплавов и металлокерамики режим определяется свойствами материала, толщиной, требованиями к шероховатости. Обработку ведут в основном в ванне с водой.

Шлифование ведется на частоте 88 кГц при плотности тока 0,1 А/мм2 и позволяет получить шероховатость Rа – 2,5...1,25 мкм при отклонении размеров профиля 0,02...О,05 мм.

Для ЭКО используются как изготавливаемые серийно установки, так и специальные станки, выполненные путем модернизации металлообрабатывающих станков. При модернизации станок оснащается системой подачи рабочей среды, источником питания, системой очистки рабочей среды от продуктов эрозии. Механическая часть станков остается обычно неизменной.

Вопросы для самопроверки

1.Как можно добиться снижения износа инструмента при ЭЭО?

2.Из какого материала изготавливаются инструменты для обработки жаропрочных и твердых сплавов?

3.Какова форма инструментов при электроконтактном нарезании зубьев?

4.Каковы основные требования к рабочей жидкости для ЭЭО?

5.Какова точность отверстий, получаемых ЭЭО?

53

2.3. Индукционный нагрев

Индукционный нагрев (ИН) является альтернативой широко используемому газовому и другим методам нагревания металла в разнообразных технологических процессах.

Индукционный нагрев используется для сварки, пайки, перед ковкой и штамповкой заготовок, под закалку деталей и в других случаях при необходимости предварительного нагрева. Наиболее распространено его использование для ковки и штамповки, а также для закалки деталей.

Широкому внедрению индукционного нагрева (или, иначе, высокочастотной термообработки) содействуют:

−удобство транспортировки энергоносителя – электрического тока;

−гораздо более простое, чем при газовом нагреве, управление температурой нагрева;

−меньшие объемы потерь металла из-за образования окалины;

−возможность интенсивного местного или поверхностного нагрева;

−простота автоматизации технологических процессов. Индукционный нагрев токопроводящих материалов (в основном

металлов) происходит при индуцировании в них вихревых токов. Для этого заготовку или деталь помещают в электромагнитное поле, созданное индуктором-катушкой, подключенной через согласующий трансформатор или непосредственно к источнику переменного тока.

Для индукционного нагрева используются в зависимости от вида нагрева и нагреваемого тела переменный ток низкой (50 Гц), средней (до 10 кГц) и высокой (более 10 кГц) частот.

Источником тока частотой 50 Гц является сеть 220/380 В, до 10 кГц (1; 2; 5; 8 кГц) машинные преобразователи частоты индукторного типа, свыше 10 кГц – радиочастотные генераторы.

2.3.1. Теоретические основы индукционного нагрева

Индукционный нагрев металлов основан на использовании следующих законов и эффектов:

1)закона электромагнитной индукции,

2)закона полного тока,

3)эффекта близости,

54

4)катушечного эффекта,

5)эффекта влияния магнитопроводов и проводящих экранов на распределение тока в проводнике,

6)температурного изменения свойств металлов, изменения свойств

при изменении напряженности магнитного поля.

Суть этих явлений изложена в разделе 3.1 пособия «Техническая физика».

На основе использования законов и эффектов для каждого конкретного случая индукционного нагрева разрабатываются индукторы. Схема питания индуктора приведена на рис.2.3.1.

При питании индуктора от машинного генератора Г параллельно индуктору И включают емкость (конденсаторную батарею) С, создавая тем самым колебательный контур, работающий в режиме резонанса токов. Последовательно машинному генератору также включается емкость С1, компенсирующая индуктивное сопротивление обмотки генератора.

С1

С И

Г

Рис. 2.3.1. Схема питания индуктора от машинного генератора

Все индукторы делают водоохлаждаемыми, из полых проводников, так как через индуктор проходит большой ток, вызывающий его разогрев.

2.3.2. Высокочастотная закалка деталей

Высокочастотная закалка состоит в индукционном нагреве поверхности детали и последующем ее охлаждении в какой-либо среде. Частота используемого тока выбирается в зависимости от формы закаливаемой детали, ее размеров и требований к закалке.

55

Качество закалки зависит от точности установки детали в индукторе, точного соблюдения режимов нагрева, охлаждения и перемещения детали относительно индуктора.

При единовременной закалке одного элемента детали, например шестерни, необходимо время 10...15 с. При закалке стальная деталь нагревается до температуры 900°С за 4...5 с., при мощности индуктора около 2 кВт на 1 см2 нагреваемой поверхности (с учетом потерь энергии).

Охлаждающую жидкость подают после выключения тока в индукторе через отверстия в поверхности индуктора, как показано на рис. 2.3.2.

Для закалки сложных деталей типа коленчатых валов индукторы делают разъемными (рис. 2.3.3).

Рис. 2.3.2. Цилиндрический индуктор для одновременного нагрева

Равномерный и непрерывный закаленный слой на плоской поверхности получить сложнее, чем на цилиндрической.

Для плоских деталей возможен одновременный нагрев и закалка отдельного участка неподвижным индуктором или закалка всей поверхности возвратно-поступательным движением индукторов относительно изделия. Примеры таких индукторов показаны на рис. 2.3.4 и 2.3.5.

56

Рис. 2.3.3. Разъемный редуктор для закалки шеек коленчатого вала:

1 – неподвижная часть; 2 – контакт между частями индуктора с посеребренными поверхностями 3 ; 4 – подвижная часть индуктора

4

4

4

Рис. 2.3.4. Индукторы для закалки плоских тел: 1 – водоохлаждаемый провод; 2 – магнитопровод; 3, 4 – детали

57

3

Рис. 2.3.5. Индуктор для закалки направляющих станин: 1 – водоохлаждаемый провод, 2 – магнитопровод; 3 – станина

Закалку производят в специальных закалочных станках, обеспечивающих: включение и выключение тока высокой частоты, подачу охлаждающей технологической среды, точную установку и движение детали с необходимой скоростью, технику безопасности и т.п.

2.3.3. Кузнечный индукционный нагрев

Для кузнечного нагрева заготовок используется сквозной индукционный нагрев, целью которого является получение заданной температуры с допустимой неравномерностью.

Для сталей нагрев осуществляется до 1000...1250°С с отклонениями

±(100...25)°С.

Время нагрева определяется из условий достижения равномерного нагрева и производительности. Нагрев производится в индукционных нагревателях обычно с цилиндрическим индуктором. Возможно использование также овальных и щелевых индукторов.

Обычно нагрев осуществляется при постоянном напряжении. Длинные заготовки (штанги) нагреваются секционированными индукторами при непрерывном перемещении с помощью роликов. Возможно использование

58

периодического нагревателя, схема такого нагревателя показана на рис. 2.3.6.

Рис. 2.3.6. Схема нагревателя периодического действия:

1 – толкатель, 2 – заготовка, 3 – индуктор, 4 – нагретая заготовка, 5 – теплоизоляция индуктора, 6 – рольганг, 7 – направляющие индуктора

Широко распространены нагреватели с шаговым перемещением заготовок (рис. 2.3.7).

4

2

3

1

Рис. 2.3.7. Схема нагревателя с шаговым перемещением заготовок: 1 – индуктор, 2 – загрузочный лоток, 3 – автоматический толкатель, 4 – электропневматический кран толкателя

59

Широкое распространение получили нагреватели мерных заготовок с толкателем рис. 2.3.8.

Рис. 2.3.8. Кинематическая схема индукционного нагревателя для коротких заготовок: 1 – заготовка, 2 – индукторы, 3 – выходной индуктор, 4 – рама движения заготовок, 5 – опоры, 6 – направляющие, 7 – лоток

Характерным для нагревателей, изображенных на рис. 2.3.6 и 2.3.7, является перемещение ряда заготовок поступающей заготовкой. Это требует качественного реза торцов заготовки. Этот недостаток устранен в нагревателе на рис. 2.3.8. Нагреватель полностью автоматизирован.

Индукторы для сквозного нагрева имеют многовитковую катушку, выполненную проводом из медной трубки прямоугольного сечения, тепловую изоляцию, направляющие для заготовок и конструктивные элементы, обеспечивающие крепление всего индуктора и его частей, подвода воды и тока. Индуктирующий провод изолируется путем обмотки стеклолентой и пропитки кремнийорганическим лаком.

Типичная конструкция цилиндрического индуктора показана на рис. 2.3.9.

60

Рис. 2.3.9. Цилиндрический индуктор, залитый в бетон (направляющие сняты)

Индуктирующий провод 1, снабженный колодками 2 и штуцером 3 для подвода тока и воды, залит жаростойким бетоном. Внутренняя часть бетона 6 играет роль теплоизоляции, а наружная 4 – роль конструктивного элемента. В заливке предусмотрены пазы 5 для размещения направляющих и пазы 7 – для установки и центровки индуктора.

Индукционный нагрев также широко используется для сварки труб, в плавильных печах, для специальных технологических процессов в вакууме, для зонной очистки чистых металлов, плавки во взвешенном состоянии и т. д.

Вопросы для самопроверки

1.В чем суть явления эффекта близости в системе параллельных проводников?

2.Как осуществляется высокочастотная закалка?

3.До какой температуры нагреваются стали при индукционном нагреве?

4.От чего зависит глубина проникновения тока в металл?

5.Каковы достоинства индукционного нагрева?