12. Электро-физико-химические и нетрадиционные методы обработки

К электро-физико-химическим отно­сят методы формообразующей обработки, осуществляемые путем удаления припуска с заготовки в жидком или парообразном виде с помощью тепловой энергии.

12.1. Классификация электро-физико-химических методов

обработки

Электро-физико-химические методы обработки классифицируют на три основные группы.

К первой группе относят электрофизические методы обработки, использующие высококонцентрированные источники энергии. При удельной мощности в пределах 0,1–10⁴ Вт/м² энергия электрического тока или электромагнитного поля, концентрируемая на локальном участке поверхности и преобразуется в тепловую, приводя слой металла (припуска) в жидкое или парообразное состояние с последующим его удалением. Высокая концентрация энергии достигается благодаря локализации выделяющейся энергии в пространстве и времени при ее подводе через канал электрического разряда, луч лазера или электронного луча, поток плазмы. Соответственно, к группе электрофизических методов обработки относят: электроэрозионные, плазменные, электронно-лучевые, лазерные и некоторые другие.

Ко второй группе относят электрохимические методы обработки, например, анодно-химическую обработку, анодное растворение или катодное осаждение при плотности мощности (примерно 10^-3–1 Вт/м²).

К третьей группе относят комбинированные электро-физико-химические процессы, в которых одновременно или последовательно сочета­ется не­сколько различных видов энергетического воздействия, эффективно дополняющих друг друга: эрозионно-электрохимические, ультразвуковые- электрохимические, плазменно-механическая, алмазно-эрозионная и др.

12.2. Электроэрозионная обработка

Электроэрозионная обработка металлов основана главным образом на тепловом действии импульсов электрического тока, возбуждаемых в среде жидкого диэлектрика между электродом – инструментом и обрабатываемой заготовкой. Принципиальная схема процесса электроэрозионной обработки представлена на рис. 12.1.

Рис. 12.1. Принципиальная схема электроэрозионной обработки:

а) схема последовательности возникновения разряда и образования лунки;

б) схема размещение электродов в процессе обработки: 1 – электрод-инструмент;

2 – межэлектродный зазор; 3 – обрабатываемая заготовка; 4 – рабочая жидкость;

5 – ванна; 6 – разряд между наиболее близкими участками поверхности; 7 – расплавление металла и его выброс; 8 – лунка, оставшаяся на поверхности

Электроэрозия является процессом разрушения поверхности металлических электродов при пробое межэлектродного промежутка электроискровым разрядом с образованием углублений, называемых лунками (рис. 12.1а). При подаче на катод – инструмент 1 напряжения порядка 10 В/м возникает электроискровой разряд, за время существования которого (t_p = 10⁻⁵–10⁻⁸ c) мгновенная плотность тока в канале разряда достигает 8000–10000 МА/м², а температура возрастает до 30000 ºС. Между электродами формируются электронные и ионные лавины разрушающие обрабатываемую поверхность заготовки. Эрозионные лунки формируются на поверхности электрода заготовки за счет расплавления металла и его последующего выброса со дна лунки за счет действия газов, вырывающихся из нагретой до температур свыше 8000 ºС металлической поверхности. Морфология поверхности после электроэрозионной обработки заготовки из стали показана на рис. 12.2.

Электроэрозионная обработка металлов и сплавов за­висит, от теплофизических свойств обрабатываемых материалов и факторов, характеризующих элек­трические процессы. Механические характеристики обрабатываемого материала практически не влияют на производительность обработки.

Рис. 12.2. Электронно-сканирующий снимок поверхности после электроэрозионной

обработки заготовки из хромоникелевого жаропрочного сплава (56 Ni Cr V17)

Различают размерную и упрочняющую электроэрозионную обработку.

В результате размерной электроэрозионную обработки из заготовки получают деталь заданной формы и размеров. Упрочняющую электроэрозионную обработку производят с целью упрочнения поверхности за счет изменения структуры и свойств поверхностного слоя детали.

К электроэрозионной обработке относят также электроискровую, электроимпульсную, электроконтактную и анодно-механическую.

Электроискровая обработка основана на том, что размерное формообразование производится в диэлектрической жидкости (керосине или низковязком масле, подаваемом под давлением, а также в воде). На поверхности заготовки происходят очень короткие искровые разряды, во время которых выделяется большое количество тепла, идущее на оплавление, частичное испарение и взрывоподобный выброс частиц с поверхности заготовки (анода).

Катодом является инструмент, имеющий форму, зеркально отображающую форму заданной поверхности детали. Электроды изготавливают из хорошо проводящих тепло материалов: углеграфита, меди, латуни и др.

При электроискровой обработке электрические разряды характеризуются большими отношениями амплитуды тока и периода следования импульсов к их дли­тельности. Мощность разряда может изменяться в пределах от десятков ватт до не­скольких киловатт.

При электроимпульсной обработке электрические разряды характеризуются малыми отношениями амплитуды тока и периода следования импульсов к их дли­тельности. При этом электрод служит анодом, мощность импульсов может изменяться от сотен ватт до нескольких десятков киловатт. Электроимпульсная обработка применяется для обработки фасонных по­верхностей большей площади: до десятых долей квадратного метра.

Электроконтактная обработка – разновидность электроэрозионной обработки, при которой происходит размерное разрушение поверхностных слоев металла вследствие его оплавления. Источник тепла в зоне обработки – импульсные дуговые разряды и контактный нагрев. Электрод-инструмент (катод) – металлический диск, второй электрод (анод) – обрабатываемая заготовка. Используется постоянный или переменный ток. Электроконтактную обработку применяют для очистки чугунных и стальных отливок, грубой обработки поверхностей, а также для наплавки деталей с целью их поверхностного упрочнения.

Анодно-механическая обработка – разновидность электроэрозионной обработки, основанная на одновременном использовании анодного растворения и механического удаления продуктов распада.

Обрабатываются токопроводящие материалы любой твердости, преимущественно нержавеющие стали, жаропрочные и твердые сплавы. Применяется в основном для заточки и доводки твердосплавных режущих инструментов, а также для разрезки металлов. Наиболее распространены отрезные дисковые и ленточные анодно-механические станки.

Наибольшее применение получили сле­дующие технологические операции электроэрозионной обработки деталей: при прямолинейном поступательном движении электрода – инструмента (прошивание); при круговых движениях электрода-инструмента (шлифование); при поступательном или круговом перемещении электрода (разрезка прямоугольным или круглым электродом или вырезание электродом-проволокой).

При прошивании сквозных отверстий (рис. 12.3а) достигается точность разме­ров 0,005–0,020 мм и шероховатость поверхности Ra = 0,4–1 мкм. Объемная ско­рость съема при обработке стали составляет около 200 мм³/с. Износ электрода – инструмента при обработке сталей незначителен.

При вырезке электродом-проволокой (рис. 12.3в) достигается точ­ность размеров – 0,005–0,03 мм; ше­роховатость обработанной поверхности – Ra = 0,4–2 мкм; скорость разделения по­верхности для стали – 5 мм²/с, для твердого сплава – 2 мм²/с.

Электроэрозионную обработку при­меняют в инст­рументальном производстве для изготовления трудоемких и сложных в обра­ботке фасонных изделий (например, штампов, пресс-форм и т. д.), а также в основном производстве – для изготовления деталей из труднооб­рабатываемых материалов, малой жесткости и со скрытыми обрабатываемыми поверхностя­ми, для вырезки электродом–проволокой пло­ских сложно-контурных деталей, про­шивания и объемного копирования поверхно­стей прецизионных де­талей из тугоплавких металлов и сплавов, твердых сплавов, цветных металлов.