ТЕМА № 12 ТЕХНОЛОГІЧНІ ПРОЦЕСИ ЕЛЕКТРОФІЗИЧНОЇ ТА ЕЛЕКТРОХІМІЧНОЇ ОБРОБКИ
Питання теми
Класифікація і особливості електрофізичних і електрофізичних методів обробки.
Електроерозійна обробка металів
Електроіскрова обробка.
Електроімпульсна обробка.
Високочастотна електроерозійна обробка.
Анодно-механічна обробка.
Електрохімічна обробка металів. Особливості. Електроліти. Приклади.
Ультразвукова обробка
Плазмова обробка.
Лазерна обробка.
Електронно-променева обробка.
12.1. Класифікація і особливості електрофізичних та електрохімічних методів обробки
Під загальною назвою електрофізичні та електрохімічні методи обробки матеріалів об'єднані: електрохімічні, электро-хіміко- механічні (анодно-механічні), электроэрозійні, электрогідравлічні, електронно-променеві, плазменні, ультразвукові світлопроменеві і ряд інших методів (див. Загальну класифікаційну схему), які відрізняються від механічної обробки різанням або тиском використання в ролі обробного інструмента електричної енергії або специфічних фізичних явищ, створюваних цією енергією.
Таблиця 12.1
Класифікація електрофізичних та електрохімічних методів обробки
|
№ п/п |
Методи обробки |
Точність обробки (квалітет) |
Шорсткість
обробки |
||
|
1 |
Електрофізичні |
Ерозійна |
Електроіскрова |
10-6 |
25-0.1 |
|
Електроімпульсна |
12-5 |
5-1.6 |
|||
|
Електроконтактна |
11-10 |
5-0.4 |
|||
|
Анодно-механічна |
10-6 |
1.6-0.025 |
|||
|
Ультразвукова |
9-6 |
1.6-0.025 |
|||
|
Плазмова |
- |
- |
|||
|
Лазерна |
11-10 |
2.5-0.32 |
|||
|
Електронно-променева |
10-9 |
3.2-0.4 |
|||
|
2 |
Електрохімічні |
Розмірна |
11-9 |
3.2-0.4 |
|
|
Полірування |
9-6 |
0.4-0.02 |
|||
|
Анодно-гідравлічна |
10-8 |
12.5-0.8 |
|||
|
3 |
Комбіновані |
Електоерозійнохімічна |
10-7 |
3.2-0.4 |
|
|
Абразивно-електрохімічна |
10-6 |
1.6-0.02 |
|||
Методи так званої электротехнології характеризуються рядом особливостей, що вигідно відрізняють їх від інших методів обробки матеріалів.
1. Практична незалежність швидкості, якості і продуктивності обробки від фізико-механічних властивостей оброблюваних матеріалів. Можливість обробки матеріалів із будь-якими механічними властивостями без прикладання значних механічних зусиль.
Тому що знімання матеріалу при нових видах обробки ( за винятком ультразвукової) відбувається не шляхом механічного впливу, то цілком очевидна причина незалежності зазначених параметрів процесу від механічних характеристик оброблюваного матеріалу. Наприклад, при электроэрозійній обробці під дією джерела тепла з температурою біля 10 000°С будь-який метал або електропровідний сплав плавиться і випаровується. При електрохімічному процесі розчинення поверхні оброблюваної деталі також не залежить від її механічних характеристик.
Це не виходить, однак, що обробка електрофізичними й електрохімічними методами різних матеріалів відбувається однаково. Але на продуктивність цих методів впливають уже не механічні, а фізичні і хімічні властивості матеріалів, наприклад теплопровідність при электроэрозійній обробці або валентність при електрохімічній.
Можливість обробки важкооброблюваних матеріалів, що останнім часом зявились у промисловості - одне з найбільш важливих переваг електрофізичних і електрохімічних методів.
2. Відсутність необхідності в спеціальних інструментах або абразивах більш твердих, ніж оброблюваний матеріал.
При електрофізичних і електрохімічних методах тиск інструмента на оброблювану деталь практично відсутній або він дуже незначний. У більшості процесів обробки наявність зазора між електродом-інструментом і оброблюваною деталлю є обов'язковою умовою. І тільки в деяких операціях ультразвуковій обробці інструмент робить помітний тиск на оброблювану деталь. При променевих же методах обробки інструмент, у прямому понятті цього терміна, взагалі відсутній.
Новим методам властивий високий ступінь зосередження енергії в часі і просторі.Енергія при цих процесах концентрується на невеликій площі поверхні оброблюваної деталі, і щільність енергії може досягти дуже високих значень, обумовлених мільйонами ватів на квадратний сантиметр.
Імпульсний характер енергії, що діє протягом короткого проміжку часу, приводить до виділення великої потужності в робочій зоні. Тому на площі поверхні, вимірюється одиницями квадратних мікрон, за час, обумовлений мікросекундами, температура досягає десятків тисяч градусів, створюються прискорення, у декілька тисяч разів перевищуючі прискорення сили ваги, виникають миттєві тиски в сотні і тисячі атмосфер.
Ці особливості дають можливість виконати такі операції, як, наприклад, виготовлення трубопроводів гідросистем без задирок у місцях з'єднань, розрізування тонких труб із спеціальних сплавів, шліфування торцевої поверхні конструкцій із тонкої фольги й інших, що не можуть бути успішно виконані звичайними, механічними методами обробки через значне зусилля різання з боку ріжучого інструмента або шліфувального круга або через складність здійснення відповідної кінематичної побудови верстата.
3. Значне скорочення витрат матеріалів.
Особливо велике значення ця перевага нових методів має при обробці таких матеріалів, як германій, кремній, рубін, кварц, діамант і інші монокристали. Наприклад, при їхньому распилюванні утворюється дуже вузька щілина і більш ощадливий розкрій матеріалу, завдяки чому досягається значна економія дорогих матеріалів. З використанням нових методів також скорочується необхідність в абразивах, діамантах, твердих сплавах, інструментальних сталях і ін.
4. Висока точність виготовлення деталей навіть у тих випадках, коли механічна обробка неможлива або її важко виконати.
У сучасному машинобудуванні часто необхідна обробка деталей із дуже високою точністю. Такими є плунжерні пари, форсунки, розпилювачі паливної апаратури, магнітопроводи прецизійних електродвигунів, цанги малого діаметра. Необхідна точність обробки цих деталей знаходиться в межах 2-5 мкм. Досягнення такої точності механічною обробкою сполучено з великими туднощами, а використання електрофізичних і електрохімічних методів дозволяє успішно вирішити це завдання.
Виготовлення точних мініатюрних деталей неможливе або його важко виконати механічним шляхом це також одна з основних причин застосування электротехнологічних методів.
5. Придатність для виконання ряду операцій, не здійснених механічними методами. Відносна нескладність технології.
Одне зі специфічних переваг нових методів - можливість обробки відразу всієї оброблюваної поверхні шляхом одержання відбитка, що копіює форму інструмента.
Особливо доцільно використання цих методів, наприклад, при таких операціях, важко здійсненних механічним шляхом, як обробка отворів або порожнин у важкодоступних місцях або на великій глибині.
6. Можливість місцевої обробки виробів великих габаритів без спеціальних великих верстатів. Скорочення числа переходів при обробці виробів складних форм.
7. Можливість повної механізації й автоматизації.
Електрофізичні й електрохімічні методи завдяки своїм особливостям є дуже гнучкими, що дозволяють автоматизувати і механізувати технологічні процеси більш простими засобами, ніж при механічній обробці.
8. Висока продуктивність і економічна ефективність. Зменшення браку. Зниження трудомісткості обробки. Інтенсифікація процесів механічної обробки.
У деяких процесах механічної обробки в даний час отримані технологічні параметри, близькі до гранично можливого. Застосування в таких випадках у якості допоміжного електрофізичного або електрохімічного методу може істотно поліпшити параметри обробки. Такі, наприклад, точіння різанням, при накладенні ультразвука, анодно-механічна обробка грузлих металів із чистотою до 016…008, электроалмазное шліфування твердого сплаву й ін.
Приклади розмірних електротехнологічних процесів.
Шліфування валків, торців щільникових конструкцій. Чернове шліфування канавок і плоских складних фігур, бурових твердосплавних ножів і фрез. Виготовлення дрібних сит із важкооброблюваних матеріалів. Виготовлення щілин шириною 50-100 мкм, променевих фігурних фільєр - формувачів капронових ниток, канавок на головках бурових машин. Нарізування різьблення у важко оброблюваних деталях. Обробка глибоких отворів. Виготовлення діамантових волок для кабельної промисловості. Виготовлення хімічно стійких підшипників із термокорунда. Шліфування твердосплавних опорних ножів для бесцентрового шліфування. Виготовлення ущільнювачів із твердого сплаву. Виготовлення твердосплавних підшипників. Калібрування шліцевих кілець і зубчастих коліс. Зняття задирок із зубчастих коліс. Обробка криволінійних отворів. Виготовлення магнітних муфт із ферритів, шрифтів поліграфічних машин. Таврування і гравіювання деталей масового виробництва. Разрізка вольфрамових прутків на контакти, нікелевих труб, тонкостінних труб без задирок, високолегованих сталей у заготівельних цехах. Обчищення поковок від окалини. Обробка гребних гвинтів. Зачищення траків після лиття. Галтовка дрібних приладових деталей. Опиловка куль із легованих сталей. Одержання порошків із металів
Виготовлення отворів у шкалах із скла, фігурних деталей із скла, кварцових резонаторів і інших радіодеталей із п¢єзокераміки. Трепанація напівпровідникових шайб. Розрізка монокристалів, заготовок із напівпровідників. Різання й обробка діамантів. Розрізка заготовок із чистих металів і спеціальних сплавів. Розрізка тонкостінних труб без задирок. Нарізка радіаторів. Виготовлення підшипників із рубіна. Шліфування мініатюрних підшипників, кераміки, напівпровідників, ферритів. Виготовлення ліній затримки, мідних і вольфрамових сіток для електровакуумних приладів, резонаторних камер магнетронів, дрібних отворів (10-50 мкм), сит, прецизійних кондукторів, щілин шириною 20-100 мкм.. Калібрування ферритовых хвилеводів. Виготовлення мініатюрних ферритових кілець для лічильно-вирішальних машин. Вирізка магнітних кілець діаметром від 1 до 4 мм. Кругле точіння ферритових деталей. Свердління отворів у магнієвих сплавах. Розточування отворів у магнітних якорях електродвигунів. Виготовлення монолітних роторів електродвигунів, прецизійних сельсинів. Зняття грата з роторів електродвигунів. Калібрування пазів у роторах електродвигунів. Розрізка плат друкарських схем із гетинакса, металевих фігурних мембран високої точності. Одержання тонких голок і гострих лез. Полірування алюмінієвих хвилеводів, металевих дзеркал. Виготовлення ювелірних виробів із каменю, камертонів із спеціальних сплавів.
Виготовлення твердосплавних штампів, прес-форм і форм для лиття. Розточування твердосплавних фільєр. Шліфування твердосплавних дискових ножниць, різців, калібрів, центрів. Виготовлення твердосплавних зубних бурів, разміточних олівців, плит для накатки монет. Профілювання фасонних твердосплавних різців, фрез. Заточка твердосплавних фрез і різців. Обробка “розвалу” у штампах. Виготовлення сталевих кувальних штампів, прес-форм. Координатне розточування отворів у загартованих сталях. Добування зламаних свердл і метчиків. Виготовлення накатних роликів із твердого сплаву, різців із термокорунда
12.2. ЕЛЕКТРОЕРОЗІЙНА ОБРОБКА МЕТАЛІВ
Електроерозійний метод заснований на фізичному явищі, при якому один або обидва електроди під дією електричного імпульсного розряду , що відбувається між ними , руйнуються і на їхній поверхні утворяться лунки (рис. 12.1). Причина появи лунок - локальний нагрів електродів до дуже високої температури. При повторенні імпульсів, що проходять у різних крапках інструмента, останній впроваджується в заготовку, створюючи заглиблення, що є відбитком поверхні і контуру інструмента.
Електричний розряд – висококонцентрований в просторі і в часі імпульс електричної енергії, що перетворюється між електродом-інструментом і електродом-заготовкою в теплову. При цьому в коналі розряду відбувається нагрів, розплавлення і випаровування матеріалу з локальних поверхонь електрродів, іонізація и розклад робочої рідини.
Рис.12.1. Схема електроерозійної обробки
1 - генератор імпульсів; 2 - заготовка; 3 – електрод-інструмент;
4 - зона плавлення металу; 5 - електроерозійна лунка; 6 – плазмовий рохзрядний канал;
7 – газовий пузир; 8 – робоча рідина.
Основні різновиди електроерозійної обробки: електроіскрова електроімпульсна і високочастотна електроіскрова.
Інтенсивність процесу ерозії визначається в основному тепло фізичними параметрами матеріалів електродів (температурою, теплотою плавлення і випару, теплоємністю і теплопровідністю), електричними параметрами імпульсів струму (енергією, тривалістю, амплітудою, частотою проходження) і властивостями міжелектродного середовища (електропровідністю, плинністю, насиченістю газами і парами, в'язкістю).
Процес ерозії значно інтенсифікується в рідкому середовищі і має, як правило, яскраво відображений полярний ефект, внаслідок якого один електрод (інструмент) зношується менше іншого (деталі). Метал , що викидається з ерозійної лунки , застигає в рідкому середовищі у виді дрібнодисперсованих гранул.
12.2.1. ЕЛЕКТРОІСКРОВА ОБРОБКА МЕТАЛІВ
Сутність методу. При зближенні двох електродів (рис.12.2) і підключенні до них напруги, достатнього для пробою міжелектродного проміжку , що утворився, виникає електричний розряд у вигляді вузького провідного каналу (стовпа) із температурою, яка вимірюється тисячами і десятками тисяч градусів, На підстави цього каналу спостерігається руйнування (оплавлення, випар, виривання, т.п.) Матеріалу електродів.При зануренні електродів у яку-небудь діелектричну рідину інтенсивність розряду і відповідно ступінь ерозії електродів різко зростають. У залежності від тривалості розряду змінюється глибина поширення тепла в об'ємі електродів і характер їх руйнування.
Рис. 12.2. Схема виникнення розряду в міжелектродному проміжку.
При більш тривалих розрядах (10-3 сек. І вище), а особливо при беззупинному (“дуговому”) розряді, оброблюваний матеріал встигає розігріватися далеко за межі оброблюваної ділянки.
Якщо поверхня одного з електродів Е1 (рис. 12.3) менше іншого Е2, то під дією численних беззупинно повторюваних іскрових розрядів відбувається руйнування останнього в межах ділянки, точно меншого електрода, що відтворює форму
Рис. 12.3. Відтворення форми катодного електрода на анодному
Якщо розряд відноситься до типу дугового, точного відтворення форми одного електрода на іншому не відбудеться. Нагрівання й оплавлення поверхні буде загальним.
Виникнення, розвиток і протікання імпульсного розряду між електродами відбувається за дуже короткий проміжок часу. Розряд виникає в результаті іонізації проміжку напругою, підведеною до електродів. Під впливом електричного поля на ділянках найбільш інтенсивної іонізації порушується електрична міцність середовища і відбувається електричний пробій проміжку між електродами. По виниклому каналу провідності ланцюг замикається.
Канал розряду звичайно утвориться між двома виступами на електродах, що лежать на найкоротшій, один від іншого, відстані. У процесі розряду канал заповнений сильно іонізованими парами металу, і в ньому виникають значні ударні тиски. Висока температура плавить і випаровує метал у місцях додатку розряду. Краплі розплавленого металу в результаті динамічних процесів, що розвиваються в зоні розряду, викидаються за межі електродів і застигають у вигляді дрібних часток сферичної форми, що утворять “залишки” при обробці. Після розряду протягом деякого часу продовжується викид металу і відбувається “деіонізація” проміжку, тобто його електрична міцність відновлюється.
Наступний розряд відбувається на новому місці поверхні електродів, уже між двома іншими крапками, що є в даний момент часу найближчими. Так відбувається до тих пір, поки розряди не знімуть із поверхні електродів усі крапки, що лежать на пробивній відстані. Коли відстань між електродами через знімання металу збільшиться настільки, що прикладена напруга опиниться недостатньою для пробою міжелектродного проміжку, процес автоматично припиниться. Для поновлення і впродовження процесу знімання металу електроди повинні бути наближені.
Метали обробляють іскровими імпульсами при порівняно невисоких напругах, звичайно не перевищуючих 250 в. При цих напругах відстань між електродами невелика.
Особливості електроіскрової обробки.
Широкий діапазон режимів, що охоплює обробку від чорнової (із продуктивністю порядку 100-500 ммз/мuн при чистоті оброблюваної поверхні 2—3-го класу) до оздоблювальної(із продуктивністю 0,1-0,01 мм/мин при чистоті оброблюваної поверхні 7—9-го класу). Однак сполучення широкого діапазону режимів в одному верстаті здійснюється рідко, і спостерігається досить чітка спеціалізація устаткування по режимах обробки.
Порівняно низька продуктивність обробки, особливо на чистових режимах.
Велике зношування електродів-інструментів, відносний розмір яких коливається в залежності від режимів і умов обробки в межах 50-1000% від об'єму оброблюваного матеріалу.
Застосування переважно релаксаційних схем генерування імпульсів тривалістю 10-200 мкм/сек при частоті 2-5 кгц.
Використання прямої полярності (електрод-інструмент підключається до негативного полюса джерела струму).
Утворення на оброблюваній поверхні тонкого дефектного шару (0,2-0,5 мм на чорнових і 0,02-0,05 мм на чистових режимах).
Можливість механізації й автоматизації процесу. Завдяки можливості обробляти деталі з відносно високою чистотою і точністю, хоча і при порівняно малій продуктивності, електроіскровий метод застосовують у машинобудуванні й інструментальному виробництві при обробці деталей невеликих розмірів. При цьому якість поверхні така, що звичайно потрібно абразивне доведення.
Приклади використання електроіскрової обробки:
Виготовлення і відновлення матриць твердосплавних, вирубних, карбувальних і гнучких штампів із загартованої сталі і твердих сплавів;
Виготовлення сит шляхом одночасного прошивання заготовки набором тонких електродів;
Добування зламаного інструмента або кріплення (болтів, шпильок) із заготовок або деталей;
Плоске, кругле шліфування і розточування профільними електродами-різцями;
Обробка отворів малого діаметра.
12.2.2. ЕЛЕКТРОІМПУЛЬСНА ОБРОБКА
Електроімпульсна обробка характеризується наступними особливостями:
Застосуванням уніполярних імпульсів струму тривалістю 500- 10 000 мксек (звичайно біля 1000 мксек), шпаруватістю 1-10;
Високою продуктивністю, що досягає 5000- 15 000 мм3/хв на грубих режимах;
Низькою чистотою оброблюваної поверхні, що знаходиться на грубих режимах, яка досягає 8-9-го квалітету на більш м'яких режимах;
Малим відносним зносом електродів-інструментів, що складає для графіту 0,1-0,5%;
Застосуванням зворотної полярності (електрод-інструмент приєднується до позитивного полюса джерела струму);
Застосуванням у якості джерела струму переважно машинних генераторів імпульсів з низкою і середньою частотою (400-3000 гц);
Роботою переважно на низьких напругах (25-30 в) і великих силах струму (50-500 а).
Основна область застосування електроімпульсного методу - обробка отворів (або деталей) великих об'ємів, складної форми, із низькою чистотою і невисокою точністю в сталевих і жароміцних заготовках.
Приклади використання електроімпульсної обробки:
Виготовлення сталевих ковальських штампів, прес-форм, форм для литва (трудомісткість виготовлення таких видів технологічного оснащення скорочується в середньому в 1,5-2 рази і більше, у порівнянні з механічною обробкою);
Попередня обробка пера лопаток турбін із жароміцних сплавів точно в розмір перед остаточною електрохімічною обробкою ( при припуску на електроімпульсну обробку 3 мм обробка пера лопаток площею 1500 мм2 складає 2,5 хв. Замість 8 хв. При механічному фрезеруванні);
Відновлення молотових штампів для виготовлення турбінних лопаток загальної площі обробки 30 000 мм2 при глибині 34 мм (час обробки скоротився з 6 до 2,5 г; наступне абразивне доведення штампа також зменшилося з 6 до 2,5 г)',
Виготовлення суцільних роторів турбін (час обробки скорочується в порівнянні з механічним фрезеруванням із 350 до 35г ) .
Виготовлення щілин, сит і гратів;
12.2.3. ВИСОКОЧАСТОТНА ЕЛЕКТРОЕРОЗІЙНА ОБРОБКА
Високочастотна електроерозійна обробка є найбільш точною, вона дозволяє обробляти деталі з чистотою до Ra 1.25…0.63 і продуктивністю в 30-50 разів більшої, ніж при чистових режимах електроіскрового методу.
Обробку при цьому методі здійснюють за допомогою спеціальних імпульсів (рис.12.4). Мала енергія імпульсів забезпечує високу чистоту обробленої поверхні; висока частота проходження імпульсів дозволяє одержати велику продуктивність; мала тривалість імпульсу запобігає виникненню мікротріщин на обробленій поверхні, а сталість амплітуди сприяє підвищенню точності обробки. Імпульси генеруються спеціальними ламповими генераторами 4.
Рис. 12.4. Схема високочастотної електроерозійної обробки
Обробку роблять у середовищі гасу або води 2. У якості матеріалу інструмента 8 застосовують мідь.
Уніполярність імпульсів забезпечує малий знос електрода-інструмента, тому що при коротких імпульсах є явно виражений полярний ефект, що полягає в тому, що анод більше піддається ерозії, ніж катод.
Особливості високочастотної електроерозійної обробки:
Висока чистота обробленої поверхні (у межах Ra 10-1,25 );
Порівняно велика продуктивність ( для чистових режимів), що складає 15-20 мм3/хв при Ra10…5 та 3-10 ммз/хв приra 2.5…1.25 і 0,8-1,2 мм3/хв при 1.25…0.63;
Відсутність мікротріщин на обробленій поверхні, навіть таких матеріалів, як тверді сплави,
Висока точність обробки, що дозволяє здійснювати обробку з допуском 1…3мкм;
Порівняно мале зношування електрода-інструмента;
Необхідність примусового прокачування робочої рідини між електродом-інструментом і оброблюваною деталлю;
Застосування електронних генераторів підвищеної частоти ( до 300 кгц) при невеликій (10-3…10-4 дж} потужності одиничного імпульсу;
Можливість обробки в середовищі слабких електролітів із зменшенням зносу інструменту і невеликого зниження продуктивності ;
Можливість застосування звичайних електроерозійних верстатів, оснащених спеціальними приставками;
Придатність для виконання операцій, нездійсненних іншими способами.
Основне призначення високочастотної електроерозійної обробки - чистова обробка деталей, що виключає наступне доведення:
Основне застосування - обробка твердосплавного оснащення: пуансонів і матриць вирубних штампів, форм литва, прес-форм, витяжних матриць.
По технологічних операціях високочастотний електроерозійний метод аналогічний електроіскровому. Звичайно для обробки твердосплавної пластинки оснащення електроіскрового верстата модернізують, підключаючи до нього [генератор -приставку (типу 1ВЧИУ-2М, ГІТ-1 і ін.).
Продуктивність при високочастотній електроерозійній обробці на чистових режимах вище, ніж при електроіскровій.
12.2.4. АНОДНО-МЕХАНІЧНА ОБРОБКА МЕТАЛІВ
Анодно-механічна обробка об'єднує два різних процеси впливу на метал, один із яких є сполученням електрохімічного розчинення з механічним видаленням продуктів розчинення (так звана “чистова)) анодно-механічна, электроабразивна, электроалмазна обробка і т.п.), а інший - сполученням электроэрозійного руйнування з механічним видаленням продуктів руйнування і механічної генерації імпульсів струму- (“чорнова)) анодно-механічна обробка).
По прийомах проведення, устаткуванню й умовам протікання ці процеси близькі і можуть переходити з одного в інший тільки лише зміною режимів.
Принципово анодно-механічний метод може замінити майже всі операції обробки металів різанням. Однак практично застосовувати її доцільно лише в тих випадках, коли обробити різанням метали і сплави з високими показниками механічних властивостей важко або неможливо.
Найбільше поширення одержали різання і чистова анодно-механічна обробка.
Особливості анодно-механічної обробки:
Висока продуктивність на жорстких (“грубих))), режимах. Що досягає 2000-6000 мм3/мин при чистоті поверхні 3—4-го класу, і висока чистота поверхні на м'яких режимах, що досягає 10—11-го класу при невеликій продуктивності 1-2мм3/хв.
Малий відносний знос електрода-інструмента, звичайно не перевищуючий 20-30% на грубих і 2-3% на чистових режимах.
Можливість обробки металевих і металокерамічних матеріалів будь-якої твердості',
Знижена кількість відходів у порівнянні з механічною різкою і дрібнодисперсний характер відходів;
Можливість широкого регулювання режимів від чорнового до чистового без припинення обробки, не знімаючи деталі з верстата;
Низький питомий тиск інструмента на оброблювану заготовку;
Необхідність взаємного відносного переміщення інструмента й оброблюваної деталі, що обмежує область технологічного використання методу головним чином процесами різання і шліфування;
Застосування в якості робочого середовища рідкого скла ускладнює експлуатацію анодно-механічного устаткування.
Сутність методу. Принципова схема анодно-механічної обробки показана на рис. 12.5. При зближенні майже до зіткнення електродів 1 і 4 (1 - оброблюваний виріб, 4 - інструмент) і наявності між ними електроліту 3 під час проходження струму відбувається руйнування електрода, з'єднаного з позитивним полюсом джерела струму (анода). Це руйнування обумовлюється при низьких щільностях струму анодним розчиненням металу (рис. 12.5, а) і переходом його в іонний стан (у виді солей, гідроокисей і т.п.), а при високих щільностях - електроерозійним руйнуванням металу (мал. 12.5. Б).
Рис. 12.5. Принципова схема анодно-механічної обробки:
А - анодне розчинення; б—те ж і імпульсне оплавлення
Якщо електроди нерухомі, процес швидко сповільнюється, тому що продукти , що утворяться 2, погано проводять струм і ізолюють один електрод від іншого. Якщо ж, прикладати невеликі механічні зусилля, видаляти продукти розчину рухом електрода-інструмента 4, то процес протікає безупинно, необхідна обробка здійснюється незалежно від його твердості.
При невисоких щільностях струму метал віддалиться тільки за рахунок електрохімічного розчинення і механічного видалення продуктів , що утворилися. При високих щільностях струму помітну роль грає електроерозійне руйнування теплом, що виділяється при електричних розрядах, що виникають між окремими крапками поверхні катода-інструмента й оброблюваного виробу.Обов'язковими умовами є присутність електроліту між оброблюваною деталлю й інструментом і високою швидкістю їхнього відносного переміщення.Інструменту повідомляються головний робочий рух щодо деталі і рух подачі.Останнє здійснюється так, щоб зазор між інструментом і деталлю був заповнений тонким прошарком електроліту, що запобігає безпосередній контакт між інструментом і деталлю, незважаючи на наявність тиску між ними.
При малому зазорі ланцюг постійного струму замикається через виступаючі нерівності поверхні і починається знімання металу. Якщо напруга низька, то знімання відбувається за рахунок анодного розчинення. Продуктивність в умовах анодного розчинення при механічному видаленні плівки дуже низкав одну хвилину знімається не більше 0,03-0,05 мм. Ця особливість використовується при чистових операціях.
На рис. 12.6. Показане зглажування поверхні при чистовій анодно-механічній обробці. Як правило, анодне розчинення відбувається на вершинах нерівностей, де опір протіканню струму значно менший, ніж на дні впадин, покритих більш товстою плівкою. У результаті мікронерівностей згладжуються (пунктир на мал. 12.6) і чистота поверхні поліпшується.
Рис. 12.6. Згладжування поверхні при анодно-механічній обробці:
1 - катод-інструмент; 2 - плівка продуктів розчинення; 3 - виріб – анод
При підвищених напругах і великій силі струму знімання відбувається за рахунок электротермічної дії струму. Кількість тепла,яке виділяється струмом при проходженні від деталі до інструмента, достатня для плавлення вершин нерівностей поверхні через значну щільність струму на малих площах ділянок, що контактують. Розплавлені частки металу у виді розпечених кульок виносяться інструментом, що рухається, із зони обробки. Продуктивність при цьому значно зростає. Отже, при анодно-механічній обробці продуктивність процесу і якість поверхні регулюються зміною електричного режиму. В міру знімання металу повинна здійснюватися подача інструмента або деталі в напрямку врізання.
Особливістю даного процесу є відсутність одночасного плавлення великих поверхонь і його короткочасність, завдяки чому запобігається проникнення тепла в метал. Електричний струм проходить в окремих крапках оброблюваної поверхні, де шар плівки найбільш тонкий; тут лише через утворення мікро-дуг і розвивається висока температура. Внаслідок локальності і короткочасності процесу тепловий вплив на метал обмежується тонким поверхневим шаром, у якому можуть відбуватися структурні зміни. Оплавлення окремих виступів поверхні розподіляється тільки за часом, тому процес знімання металу протікає безперервно.
При значному підвищенні щільності струму або напруги анодно-механічне руйнування оброблюваного металу доповнюється ерозійним впливом численних місцевих теплових осередків, що виникають у крапках контакту поверхонь катода інструмента і деталі. Знімання металу помітно збільшується і відбувається в значній мірі, завдяки тепловій дії електричного струму.
При анодно-механічній обробці виділення тепла відбувається в кожний момент часу тільки в декількох крапках поверхні
Робоча рідина. Найкращий склад робочої рідини для анодно- механічної обробки - розчин рідкого скла (силікату натрію - Дст 917-41, 962-41, 4420-48) у воді. Властивості робочої рідини залежать від модуля рідкого скла ( тобто від співвідношення між утримуванням кремнійкислоти й окису натрію) і від питомої ваги розчину. Вихідне рідке скло рекомендується застосовувати з модулем 2,25-2,75 і питомою вагою 1,43-1,55. Знаходячись у робочій зоні між катодом-інструментом і заготівлею-анодом, рідке скло завдяки своїй в'язкості і наявності колоїдальних часток утворить досить міцний тонкий прошарок, що перешкоджає контакту (замиканню) електродів.
Призначення чистової анодно-механічної обробки - забезпечити необхідну чистоту обробленої поверхні і заданої точності розмірів із виправленням або збереженням макрогеометрії, отриманої на попередній операції.
Процес анодно-механічного шліфування металевим диском на відміну від звичайного (абразивного) шліфування забезпечує одержання високої чистоти поверхні за одну операцію, тому що перехід від попереднього до остаточного шліфування здійснюється в даному випадку шляхом зміни електричного режиму обробки.
12.2.4.1. ЭЛЕКТРОАБРАЗИВНА ОБРОБКА
Электроабразивна обробка являє собою різновид анодно-механічного методу, при котрій функції інструмента і катода виконує електропровідний абразивний круг, зазор між кругом і оброблюваною деталлю підтримується виступаючими зернами абразиву (мал. 12.7).
Рис. 12.7. Схема процесу электроабразивної обробки
Абразивні зерна 1 створюють зазор між електропровідною звязкою круга 2 і оброблюваною деталлю 6. Зазор заповнюється електролітом 3, і в ньому відбувається процес анодного розчинення оброблюваної поверхні. Продукти розчинення 4 (анодна плівка) видаляються з поверхні виробу абразивними зернами круга, що одночасно подає свіжий електроліт у зазор. Частково ці продукти заповнюють западини 5.
З часом вершини абразивних зерен зношуються і зазор між оброблюваною деталлю й електропровідною звязкою круга зменшується. Тонкий шар електроліту пробивається і виникає розряд, що приводить до вигоряння зв'язки, що сприяє відновленню колишнього розміру зазора. Принципова схема электроабразивної обробки показана на мал. 12.8.
Рис.12.8. Принципова схема електроабразивної обробки.
Електропровідне абразивне коло 3 за допомогою ковзного контакту 2 з'єднаний із негативним полюсом джерела постійного струму 1. Оброблювана деталь 4 через реостат 6, що дозволяє регулювати силу струму в ланцюзі, з'єднується з позитивним полюсом. У зону обробки подається електроліт 5. Электроабразивний круг обертається з Vp== 20-30 м/с, шпиндельна голівка або оброблювана деталь роблять зворотно-поступальний рух.
Напруга постійного струму регулюється потенціометром. Амперметр і вольтметр дозволяють контролювати електричні режими обробки.
Электроабразивна обробка твердих сплавів забезпечує одержання чистоти поверхні до 016…008. Продуктивність обробки досягає 20-35 мм3/хв твердого сплаву . Обробка твердих сплавів електропровідними абразивами проходить без нагрівання їхньої поверхні, завдяки чому забезпечується повна відсутність сітки мікротріщин.
. Розрізняють обробку зв'язаним абразивом (абразиво-металлнче-скими колами і т.п.) І вільним абразивом (суспензією абразивного порошку в електроліті).
Особливості электроабразивної обробки:
Порівняно невисока продуктивність обробки (10- 20 мм3/мин ), порівняно з продуктивністю звичайного діамантового шліфування;
Висока чистота обробленої поверхні, що досягає 008;
Значний відносний знос круга, що знаходиться в межах 10-15% від об'єму знятого матеріалу;
Заокруглення гострих крайок на деталях за рахунок електрохімічного підтравлювання; радіус крайок може досягати 0,1 мм;
Низька щільність струму на оброблюваній поверхні і відсутність металевих контактів, що виключає можливість прижогів і нагрівання;
Робота на низьких напругах із практично неагресивними електролітами;
Застосування кругів струмопровідних, що містять абразив.
Висока чистота обробленої поверхні є головною умовою, що визначає область застосування электроабразивного методу. Йогo можна використовувати як доводочний при виготовленні точних твердосплавних деталей; як метод, що дозволяє здійснювати шліфування твердого сплаву при відсутності діамантового інструмента. Тому що технологічні параметри при электроабразивній обробці в порівнянні з электроалмазною значно нижчі, застосування останньої в більшості випадків краще.
Электроабразивний метод використовується для шліфування витяжних круглих матриць діаметром від 8 до 35 мм із точністю 0,01 мм і чистотою 11-го класу (продуктивність у межах 1-3 ммз/мuн), виготовлення шліфів із високою чистотою поверхні, доведення твердосплавних калібрів із точністю до 1 мкм і т.п.
12.2.4.2. ЭЛЕКТРОВІБРОАБРАЗИВНА ОБРОБКА
Электровіброабраэивна обробка являє собою різновид віброабразивної, від якої вона відрізняється тим, що до оброблюваного предмета і корпуса з абразивною сумішшю підводять постійний електричний струм низької напруги (рис.12.9), а в сумсіш абразивних зерен вводять розчин електроліту, наприклад, хлористого натрію. Продуктивність у порівнянні зі звичайною віброабразивною обробкою при цьому зростає в декілька разів .
Рис.12.9. Схема електровіброабразивної обробки.
1-корпус; 2-абразивне зерно; 3-вібраційний пристрій; 4-насос для електроліту;
5-оброблюваний виріб-анод;6-привід обертання виробу;7-випрямляч.
Зерен вводять розчин електроліту, наприклад, хлористого натрію. Продуктивність у порівнянні зі звичайною віброабразивною обробкою при цьому зростає в декілька разів .
12.3. ЕЛЕКТРОХІМІЧНА ОБРОБКА МЕТАЛІВ
Методи електрохімічної обробки матеріалів засновані на хімічних процесах, що виникають у результаті проходження електричного струму через ланцюг, утворений провідниками (електродами) і рідиною ,що знаходиться між ними (електролітом). Принципові схеми такого ланцюга (електролітичного осередку, ванни) показані на рис.12.10.
У цій главі розглянуті лише ті методи електрохімічної обробки , при яких відбувається видалення деяких кількостей металу з оброблюваної заготовки і їхній перехід у неметалічний стан.Основна увага виділена розмірній електрохімічній обробці.
Особливості електрохімічної розмірної обробки:
Продуктивність обробки досягає 50 000 мм3/мин і вище;
Чистота обробленої поверхні звичайно знаходиться в межах 2.5...0.63;
Відсутність електрода інструмента;
Із збільшенням продуктивності підвищуються чистота поверхні і точність обробки;
Необхідність очищення електроліта;
Необхідність видалення водню з робочої камери ( при видаленні 1 кг сталі виділяється біля 0.5м3 водню);
Висока енергоемність процесу (1000 а.ч на 1 кг знятого металу).
Принципово механізм електрохімічного профілювання перебуває в тому , що поверхня заготовки, зазнаючи електрохімічного розчинення в якості анода, одержує на різних ділянках різну щільність струму , відповідно відстаням від профільного катода. У результаті розчинення на цих ділянках відбувається з різною швидкістю і приводить до утворення профілю, що представляє собою зворотне зображення катода.
Відповідно цій схемі здійснюються всі операції електрохімічного профілювання, копіювання і т.д , що приводять до зміни форми заготовки.
Рис.12.10. Принципова схема електролітичного осередку і процесу електролізу:
1 - ванна; 2 - електроліт; 3 - катод; 4 – анод
Електроліти для електрохімічної розмірної обробки.
Принципово анодне розчинення може відбуватися в будь-якому електроліті, що утворить із металом добре розчинні у воді з'єднання. Практично найбільш поширені деякі розчини, зокрема розчин хлористого натрію.
Водяний розчин хлористого натрію (повареної солі) придатний для електрохімічної обробки стали 50, ОХНЗМ, 40Х, жароміцних нікелевих сплавів, а при добавці їдкого натра - для обробки металокерамічних вольфрамокобальтових сплавів. Позитивні сторони такого електроліту - низька вартість і тривала працездатність. Останнє пояснюється тим, що хлористий натрій безупинно відновлюється в розчині. При використанні водяних розчинів хлористого натрію для обробки деталей із нержавіючої сталі (наприклад, Х18Н9Т) можливе зниження корозійної стійкості при низьких густинах струму. На інших металах цього не спостерігається.
Для електрохімічної обробки нікелевих сплавів і титана іноді застосовують водяні розчини сірчаної кислоти. Ці розчини забезпечують високу чистоту поверхні і не викликають корозії деталей.
Розчини сірчанокислого натрію придатні для обробки деталей із нержавіючої сталі Х18Н9Т і забезпечують високу швидкість знімання і дзеркальної поверхні виробу.
Електроліти із водяного розчину якої-небудь солі, зокрема хлористого натрію, швидко змінюють свою кислотність (рн) і електропровідність у процесі роботи внаслідок утворення при електролізі лугу і нагромадження її в розчині.
Приклади електрохімічної розмірної обробки.
В даний час електрохімічна розмірна обробка використовується в основному при утворенні отворів і порожнин, профілюванні і формоутворенні копіюванням, видаленні задирок і грата, різанню і довбанні.
Електрохімічна розмірна обробка турбінних лопаток. Принципові схеми двох варіантів операції показані на рис. 12.11. У першому варіанті (рис. 12.11, а) заготовка й інструмент протягом всієї операції залишаються нерухомими, а міжелектродний проміжок безупинно збільшується. Цей варіант застосовують головним чином для видалення рівномірного припуску з заготовки, отриманої штампуванням або електроерозійним способом.
Більш поширена обробка рухливими електродами (рис. 12.11, б). Тут заготовку (анод) установлюють між двома катодами-інструментами, що одержують зустрічне переміщення в напрямку до деталі.
Рuc 12.11. Принципові схеми електрохімічної обробки турбінних лопаток:
А - нерухомими електродами; б - рухливими електродами;
1 - підведення струму до виробу; 2 - підведення електроліту; 3 - підведення струму до катода;)м; 4 - профільні катоди; 5 - лопатка, що профілюється; 6 - відвід електроліту; 7 - корпус камери; 8 - насос.
Електрохімічне прошивання отворів і порожнин (свердління, довбання) схематично показані на мал. 12.12.
Рис. 12.12. Схема електрохімічного прошивання отворів і порожнин
Електрохімічне утворення кільцевих канавок усередині деталей типу втулок (рис.12.13). Втулку 1 закріплюють в установочному пристосуванні спеціального двухшпиндельного верстата і підключають до позитивного полюса джерела струму. Усередині деталі встановлюють електрод-інструмент 2, що представляє собою латунний стрижень, покритий на неробочій частині ізоляцією і з'єднаний із негативним полюсом. Робочу частину електрода-інструмента - неізольоване кільце - установлюють поблизу оброблюваної поверхні.
Рис. 12.13. Схема електрохімічного утворення кільцевих канавок усередині втулки
У проміжку між електродами (0,4-0,6 мм) із швидкістю 10- 12 м/с протікає електроліт - водяний розчин хлористого натрію. При включенні струму відбувається інтенсивне розчинення частини анодной поверхні, розташованої поблизу робочої частини інструмента, з утворенням кільцевої канавки глибиною 0,2 мм (час обробки 12 сек).
12.4. УЛЬТРАЗВУКОВА ОБРОБКА.
Ультразвукову обробку використовують для обробки трердих і крихких матеріалів (скло, рубін, фарфор, алмаз, кераміка, загартована сталь, твердий сплав та ін.) Які дуже важко обробляються звичайними методами.
Використання ультразвукових коливань для обробки базується на створенні високої швидкості зношування мтеріалу, що оброблюється при контакті вібруючого інструменту і абразиву ( в вигляді пасти, водяної чи олійної суспензії) з місцем обробки. Інструмент виготовляється переважноз пластичного матеріалу , в який абразивні зерна впроваджуються без його суттєвого зношування. Таким чином інструмент (вібратор) використовується тільки для направлення, а різання відбувається абразивним матеріалом.
Рис.12.14. Принципова схема ультразвукової обробки.
На рис.12.14 приведена схема ультразвукової обробки. Інструмент 2 здійснює поздовжні коливання з частотою 16000-25000 Гц і амплітудою 0,02-0,06 мм. Він виготовляється із конструкційної сталі, і за профілем він відповідає формі отвору, що обробляється. В зону обробки, тобто в зазор між робочим торцем інструмента 2 і заготовкою 1, за допомогою насосу 6 подають абразивну суспензію ( в якості абразиву як правило використовують карбід бора ). Джерелом коливань інструмента є магнітострикційний перетворювач 3, в якому електричні коливання від потужного електронного генератора 4 перетворюються в механічні. Коливання торцевої поверхні перетворювача 3 невеликі: 5-10 мкм. Для збільшення амплітуди в 2-5 разів застосовують трансформатори швидкості, або акустичні концентратори 5. До вузького перетину концентратора прикріплюють інструмент. В процесі обробки інструмент повинен неперервно пересуватись в напрямку до заготовки. При обробці глухих отворів інструмент необхідно періодично піднімати для заповнення порожнини свіжим абразивом і видалення продуктів різання.
При обробці заготовок з електропровідних матеріалівпопередню обробку для знімання більшої частини матеріалу необхідно виконувати електроерозійним методом, я чистову обробку для отримання шорсткості поверхні 1,6-0,8 мкм. - ультразвуковим методом.
Продуктивність ультразвукової обробки залежить від властивостей матеріалу, що обробляється, амплітуди і частоти коливань інструмента, виду та зернистості абразивного матеріалу, розмірів площі і конфігурації поверхні, що обробляється. Існуючі моделі ультразвукових верстатів дозволяють обробляти отвори діаметром від 0,15 до 90 мм. При максимальній глибині обробки 2-5 діаметрів з похибкою обробки для твердих сплаві 0,01мм.
Ультразвукова обробка може використовуватись для виготовлення твердосплавних штампів, для формоутворення складних поверхонь в заготовках із твердих і крихких матеріалів, чеканки рельєфів (наприклад медалей), для очищення деталей від бруду та продуктів корозії.
12.5.ЕЛЕКТРОННО-ПРОМЕНЕВА, СВІТЛО-ПРОМЕНЕВА ТА ПЛАЗМОВА ОБРОБКА.
Електронно-променева обробка (ЕПО) основана на дії на матеріал заготовки сформованого пучка електронів, кінетична енергія якого, перетворюючись в робочій зоні в теплову, викликає нагрів, лавлення і (або) випаровування оброблюємого матеріалу.
Джо процесів ЕПО відносяться зварювання, паяння, різання, вирізання прицезійних заготовок, прошивання отворів, різання важкооброблюємих матеріалів, нанесення покриття, запис інформації.
При світло-променевій (СПО) обробці аналогічну дію на матеріал здійснює сфокусоване поліхроматичне аба монохроматичне випромінювання.
В останньому (найбільш важливому для практики) випадку процес називається лазерною обробкою. Потужні лазери дозволяють виконувати різання, сверління, гартування і зварювання різних матеріалів без виникнення в них механічних напружень, яких не можна уникнути при звичайному обробленні. Обробляються заготовки із матеріалів любої твердості, металів, алмазів, рубінів та ін. З великою точністю.
До процесів СПО відносяться вирізання заготовок, нанесення маркування, локальне легування і зміцнення, зварювання, паяння.
При плазмовій обробці (ПЗО) відбуваються процеси, при яких в результаті дії потоку низькотемпературної (3000-30000 0 С) плазми виникають зміни хімічного складу, структури або фізичного стану матеріалу, що оброблюється. При цьому змінюється форма і (або) геометричні розміри оброблюємої заготовки. Плазма це частково або повністю іонізований газ, яякий генерується дуговими або високочастотними плазмотронами, і в якому густина позитивних і від’ємних зарядів практично одинакова.
Процеси ПЗО класифікуються по характеру дії потоку низькотемпературної плазми. ПЗО використовують для зменшення міцності, руйнування як електропровідних так і неелектропровідних матеріалів, для отримання композиційних матеріалів, вирощування кристалів, формування поверхні з заданими властивостями зміною структури або нанесенням покриття тугоплавкими металами і карбідами.