Электрофизические и электрохимические методы обработки

Введение

Электрофизические и электрохимические методы по сравнению с обычной обработкой резанием имеют ряд преимуществ. Они позволяют обрабатывать заготовки из материалов с высокими механическими свойствами (твердые сплавы, алмаз, кварц и др.), которые трудно или практически невозможно обрабатывать другими методами. Кроме этого, указанные методы дают возможность получать самые сложные поверхности, например отверстия с криволинейной осью, глухие отверстия фасонного профиля и т. д. К числу таких методов относят электроэрозионную, электрохимическую и анодно-механическую обработку металлов Усов, С.В., Назаров, Ю.Ф., Короткоа И.А. Комбинированные методы обработки в машиностроении / С.В, Усов, Ю.Ф. Назаров. - М.; ЮНИТ, 2002. - С. 129.

В основе электроэрозионной обработки металлов лежит процесс электроэрозии, т.е. разрушения поверхностей электродов при электрическом разряде между ними. Электроэрозионную обработку производят на специальных (электроискровых, электроимпульсных) станках.

Инструментом для обработки служит электрод, изготовленный из меди, латуни, бронзы, алюминия или некоторых других материалов. Он имеет форму, соответствующую форме требуемой поверхности обрабатываемой детали.

Заготовку помещают в ванну с жидкостью, не проводящей электрический ток. Инструмент и заготовку подключают в станке к источнику электрического тока. При сближении инструмента (катода) и заготовки (анода), когда искровой промежуток становится очень малым, между ними происходит электрический разряд. В результате температура на обрабатываемой поверхности заготовки мгновенно достигает 8000--10000°С, что приводит к местному расплавлению, частичному испарению и взрывоподобному выбросу микрочастиц с поверхности заготовок. Выброшенные частицы металла в жидкой среде затвердевают и оседают на дно ванны. При подаче электрода-инструмента искровые разряды многократно повторяются и, образуют в заготовке лунку, отображающую форму инструмента Назаров, Ю.Ф., Талдонов, Г.В., Курченко, В.В. Основы наноабразивной обработки деталей машин / Ю.Ф, Назаров, Г.В, Талдонов, В.В, Курченко // Вестник машиностроения. - 2007. - № 9. - С. 32 - 37.

Электроэрозионную обработку широко применяют для получения различных отверстий, пазов, углублений при изготовлении штампов, пресс-форм, кокилей и т.д.

Электрохимическая обработка заключается в том, что под воздействием электрического тока разрушаются поверхностные слои металла детали, помещенной в электролит. Частицы металла, лежащие на поверхности детали, растворяются в электролите, и деталь становится блестящей (электролитическое полирование), В том случае, если поверхности должны быть приданы определенные размеры, применяют специальный инструмент для механического удаления разрушенной пленки металла.

Анодно-механическая обработка металлов построена на сочетании электроэрозионного и электрохимического процессов. Ее сущность заключается в следующем. Через обрабатываемую заготовку (анод) и вращающийся инструмент (катод) пропускается постоянный электрический ток. Анод и катод находятся в среде электролита. Электрический ток, проходя через электролит, разлагает его и растворяет поверхность заготовки (анода). На поверхности заготовки постоянно образуется не проводящая ток пленка. Вращающийся инструмент (катод) механически срывает эту пленку. При точечном срыве пленки и частичном пробивании' ее на вершинах микронеровностей в местах контакта инструмента проходит ток большой плотности, под действием которого микронеровности оплавляются. Оплавляемые частицы металла удаляют вращающимся инструментом.

Анодно-механический способ обработки металлов применяют для затачивания пластинок из твердых сплавов и для резки очень твердых и вязких металлов.

Электрофизические и электрохимические методы обработки, общее название методов обработки конструкционных материалов непосредственно электрическим током, электролизом и их сочетанием с механическим воздействием.

В электрохимических и электрофизических методах обработки включают также методы ультразвуковые, плазменные и ряд других методов. С разработкой и внедрением в производство этих методов сделан принципиально новый шаг в технологии обработки материалов -- электрическая энергия из вспомогательного средства при механической обработке (осуществление движения заготовки, инструмента) стала рабочим агентом.

Всё более широкое использование данных методов обработки в промышленности обусловлено их высокой производительностью, возможностью выполнять технологические операции, недоступные механическим методам обработки. Данные методы весьма разнообразны и условно их можно разделить на электрофизические (электроэрозионные, электромеханические, лучевые), электрохимические и комбинированные. Рассмотрим все методы более подробно.

2. Электрохимические и комбинированные методы обработки

Электрохимическая обработка заключается в том, что под воздействием электрического тока разрушаются поверхностные слои металла детали, помещенной в электролит и основана на законах электрохимии. По используемым принципам эти методы разделяют на анодные и катодные, по технологическим возможностям -- на поверхностные и размерные.

Поверхностная электрохимическая обработка. Практическое использование электрохимических методов началось с 30-х гг. 19 в. (гальваностегия и гальванопластика). Первый патент на электролитическое полирование был выдан в 1910 Е. И. Шпитальскому.

Суть метода состоит в том, что под действием электрического тока в электролите происходит растворение материала анода (анодное растворение), причём быстрее всего растворяются выступающие части поверхности, что приводит к её выравниванию. При этом материал снимается со всей поверхности, в отличие от механического полирования, где снимаются только наиболее выступающие части.

Электролитическое полирование позволяет получить поверхности весьма малой шероховатости. Важное отличие от механического полирования -- отсутствие каких-либо изменений в структуре обрабатываемого материала Ковшов, А.Н. Технология машиностроения: Учебник для студентов машиностроительных специальностей вузов, - М.: Машиностроение, 2007. - С. 45.

Размерная электрохимическая обработка. К этим методам обработки относят анодно-гидравлическую и анодно-механическую обработку.

Анодно-гидравлическая обработка впервые была применена в Советском Союзе в конце 20-х гг. для извлечения из заготовки остатков застрявшего сломанного инструмента. Скорость анодного растворения зависит от расстояния между электродами: чем оно меньше, тем интенсивнее происходит растворение.

Поэтому при сближении электродов поверхность анода (заготовка) будет в точности повторять поверхность катода (инструмента). Однако процессу растворения мешают продукты электролиза, скапливающиеся в зоне обработки, и истощение электролита.

Удаление продуктов растворения и обновление электролита осуществляются либо механическим способом (анодно-механическая обработка), либо прокачиванием электролита через зону обработки.

Этим методом, подбирая электролит, можно обрабатывать практически любые токопроводящие материалы, обеспечивая высокую производительность в сочетании с высоким качеством поверхности.

Используемые для анодно-гидравлической обработки электрохимические станки просты в обращении, используют низковольтное (до 24 в) электрооборудование. Однако значительные плотности тока (до 200 а/см²) требуют мощных источников тока, больших расходов электролита (иногда до 1/3 площади цехов занимают баки для электролита).

Комбинированные методы обработки являются сочетанием различных технологических приемов, в каждом из которых пытаются использовать и усилить положительные признаки, необходимые для технологического процесса изготовления детали. При различном сочетании магнитного, химического, механического (постоянного или импульсного) и теплового воздействий создана целая гамма комбинированных методов обработки Ковшов, А.Н., Назаров, Ю.Ф. Нетрадиционные методы обработки материалов: Учеб. Пособие / А.Н. Ковшов, Ю.Ф. Назаров. - М: МГОУ, 2003. - С. 147.

В качестве признаков, подлежащих усилению, может выступать любой технологический параметр обработки или их сочетание (производительность, качество и др.). Сам процесс выбора комбинации напрямую зависит от оптимизационного параметра.

3. Электрофизические методы обработки

Электроэрозионная обработка основана на вырывании частиц материала с поверхности импульсом электрического разряда. Если задано напряжение (расстояние) между электродами, погруженными в жидкий диэлектрик, то при их сближении (увеличении напряжения) происходит пробой диэлектрика - возникает электрический разряд, в канале которого образуется плазма с высокой температурой.

Так как, длительность используемых в данном методе обработки электрических импульсов не превышает 10 - 2 сек, выделяющееся тепло не успевает распространиться в глубь материала и даже незначительной энергии оказывается достаточно, чтобы разогреть, расплавить и испарить небольшое количество вещества.

Кроме того, давление, развиваемое частицами плазмы при ударе об электрод, способствует выбросу (эрозии) не только расплавленного, но и просто разогретого вещества. Поскольку электрический пробой, как правило, происходит по кратчайшему пути, то прежде всего разрушаются наиболее близко расположенные участки электродов.

Таким образом, при приближении одного электрода заданной формы (инструмента) к другому (заготовке) поверхность последнего примет форму поверхности первого. Производительность процесса, качество получаемой поверхности в основном определяются параметрами электрических импульсов (их длительностью, частотой следования, энергией в импульсе). Электроэрозионный метод обработки объединил электроискровой и электроимпульсный методы.

Электроискровая обработка была предложена советскими учёными H. И. и Б. Р. Лазаренко в 1943. Она основана на использовании искрового разряда. При этом в канале разряда температура достигает 10000 °С, развиваются значительные гидродинамические силы, но сами импульсы относительно короткие и, следовательно, содержат мало энергии, поэтому воздействие каждого импульса на поверхность материала невелико.

Метод позволяет получить хорошую поверхность, но не обладает достаточной производительностью. Кроме того, при этом методе износ инструмента относительно велик (достигает 100% от объёма снятого материала). Метод используется в основном при прецизионной обработке небольших деталей, мелких отверстий, вырезке контуров. твердосплавных штампов проволочным электродом Ярославцев, В.М. Точение с опережающим пластическим деформированием: Мультимедийное учебное пособие. / В.М. Ярославцев. - М.: МГТУ им. Н.Э. Баумана, 2004. - CD-R. - № гос. per. 0320400662..

Электроимпульсная обработка основана на использовании импульсов дугового разряда. Предложена советским специалистом М. М. Писаревским в 1948. Этот метод стал внедряться в промышленность в начале 1950-х гг.

В отличие от искрового, дуговой разряд имеет температуру плазмы ниже (4000--5000°С), что позволяет увеличивать длительность импульсов, уменьшать промежутки между ними и т. о. вводить в зону обработки значительные мощности (несколько десятков квт), т. е. увеличивать производительность обработки.

Характерное для дугового разряда преимущественно разрушение катода приводит к тому, что износ инструмента (в этом случае он подключается к аноду) ниже, чем при электроискровой обработке, составляя 0,05--0,3% от объёма снятого материала (иногда инструмент вообще не изнашивается).

Более экономичный электроимпульсный метод используется в основном для черновой обработки и для трёхкоординатной обработки фасонных поверхностей. Оба метода (электроискровой и электроимпульсный) дополняют друг друга.

Первый в мире советский электроэрозионный (электроискровой) станок был предназначен для удаления застрявшего в детали сломанного инструмента (1943). С тех пор в СССР и за рубежом выпущено большое число разнообразных по назначению, производительности и конструкции электроэрозионных станков.

Электроимпульсный станок отличается от электроискрового практически только генератором импульсов. Советская промышленность выпускает генераторы различного назначения. Развитие техники полупроводниковых приборов позволило создать генераторы, обеспечивающие изменение параметров импульсов в широких пределах.

Электромеханическая обработка объединяет методы, совмещающие одновременное механическое и электрическое воздействие на обрабатываемый материал в зоне обработки. К ним же относят методы, основанные на использовании некоторых физических явлений (например, гидравлический удар, ультразвук и др.).

Электроконтактная обработка основана на введении в зону механической обработки электрической энергии -- возбуждении мощной дуги переменного или постоянного тока (до 12 ка при напряжении до 50 в) между, например, диском, служащим для удаления материала из зоны обработки, и изделием.

Применяется для обдирки литья, резки и других видов обработки, аналогичных по кинематике движений почти всем видам механической обработки. Преимущества метода -- высокая производительность (до 106 мм³/мин)на грубых режимах, простота инструмента, работа при относительно небольших напряжениях, низкие удельные давления инструмента -- 30--50 кн/м² (0,3-- 0,5 кгс/см²) и, как следствие, возможность использования для обработки твёрдых материалов инструмента, изготовленного из относительно мягких материалов.

Недостатки -- большая шероховатость обработанной поверхности, тепловые воздействия на металл при жёстких режимах.

Разновидностью электроконтактной обработки является электроабразивная обработка -- обработка абразивным инструментом (в т. ч. алмазно-абразивным), изготовленным на основе проводящих материалов. Введение в зону обработки электрической энергии значительно сокращает износ инструмента.

Электроконтактные станки по кинематике не отличаются практически от соответствующих металлорежущих станков; имеют мощный источник тока.

Магнитоимпульсная обработка применяется для пластического деформирования металлов и сплавов (обжатие и раздача труб, формовка трубчатых и листовых заготовок, калибровка и т. п.) и основана на непосредственном преобразовании энергии меняющегося с большой скоростью магнитного поля, возбуждаемого, например, при разряде батареи мощных конденсаторов на индуктор, в механическую работу при взаимодействии с проводником (заготовкой).

Преимущества метода Ярославцев, В.М. Размерная обработка: Мультимедийный учебник / В.М. Ярославцев. - М.: МГТУ им. Н.Э. Баумана, 2004. - CD-R. - № roc. per. 0320400664.

отсутствие движущихся и трущихся частей в установках

высокая надёжность и производительность

лёгкость управления и компактность

наличие лишь одного инструмента -- матрицы или пуансона (роль другого выполняет поле) и др.

Недостатки

относительно невысокий КПД

затруднительность обработки заготовок с отверстиями или пазами (мешающими протеканию тока) и большой толщины.

Электрогидравлическая обработка основана на использовании энергии гидравлического удара при мощном электрическом (искровом) разряде в жидком диэлектрике. При этом необходимо вакуумирование полости между заготовкой и матрицей, поскольку из-за огромных скоростей движения заготовки к матрице воздух не успевает уйти из полости и препятствует плотному прилеганию заготовки к матрице.

Метод прост, надёжен, но обладает небольшим кпд, требует высоких электрических напряжений и не всегда даёт воспроизводимые результаты. К электромеханической обработке относится также ультразвуковая обработка.

К лучевым методам обработки относится обработка материалов электронным пучком и световыми лучами. Электроннолучевая обработка осуществляется потоком электронов высоких энергий (до 100 кэв).

Таким путём можно обрабатывать все известные материалы (современная электронная оптика позволяет концентрировать электронный пучок на весьма малой площади, создавать в зоне обработки огромные плотности мощности).

Электроннолучевые станки могут выполнять резание (в т. ч. прошивание отверстий) и сварку с большой точностью. Основой электроннолучевого станка является электронная пушка. Станки имеют также устройства контроля режима обработки, перемещения заготовки, вакуумное оборудование.

Из-за относительно высокой стоимости, малой производительности, технической сложности станки используются в основном для выполнения прецизионных работ в микроэлектронике, изготовления фильер с отверстиями малых (до 5 мкм)диаметров, работ с особо чистыми материалами.

К электрофизическим методам обработки относится также плазменная обработка.

Заключение