Развитие машиностроения

При ультразвуковой обработке важно оценить величину усиления концентратора. Эффективность применения концентратора характеризуется коэффициентом усиления амплитуды или коэффициентом концентрации Ку. Для экспоненциального концентратора

/Су = -- = 1/

т. е. равен отношению верхнего диаметра концентратора к нижнему. Для ступенчатого симметричного концентратора

/Су = -Ј-. сР

Большое распространение получили экспоненциальные и ступенчатые концентраторы, что объясняется простотой их расчета большой эффективностью и конструктивной простотой. Резонансную длину экспоненциального концентратора можно определять, из выражения

где п - число полуволн, укладывающихся в волноводе, для основной частоты п-\; 1пв - длина полуволны при данной частоте. Максимально возможное значение Do и минимальное значение ограничены следующими зависимостями:

Коэффициент усиления концентратора зависит от отношения длины каждого из звеньев к общей длине концентратора. Исследования показывают, что наибольший коэффициент усиления будет при равенстве звеньев а = Ь (рис. 60).

Сравнивая экспоненциальный и ступенчатый концентраторы, можно отметить, что ступенчатый концентратор обеспечивает большее усиление. Однако это различие имеет место лишь при незначительной нагрузке. С увеличением нагрузки коэффициент усиления ступенчатого концентратора быстро падает, приближаясь в пределе к коэффициенту усиления экспоненциального концентратора. Ступенчатый концентратор имеет очень острую кривую резонанса, поэтому требует тщательной настройки, он чувствителен к влиянию нагрузки на его колебательный режим. Кроме того, в нем возникают большие концентрации напряжений, которые при некоторых условиях могут нарушить целостность волновода в переходных сечениях. К положительным свойствам ступенчатого концентратора относится простота изготовления. Существенное преимущество экспоненциального концентратора в том, что при работе ша нагрузку он меньше, чем другие концентраторы, меняет свой колебательный режим.

4. МЕТОДЫ И ТЕХНОЛОГИЧЕСКИЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ УЛЬТРАЗВУКОВОЙ РАЗМЕРНОЙ ОБРАБОТКИ МАТЕРИАЛОВ

Большое распространение получил метод размерной ультразвуковой обработки твердых и хрупких материалов несвязанным абразивом, зерна которого получают энергию от инструмента, совершающего колебательные движения. Разрушение обрабатываемого материала в этом случае происходит главным образом за счет ударного действия инструмента на частицы абразива. Колеблющийся инструмент, ударяя по абразивным зернам, сообщает им энергию. Абразивные зерна, ударяя по заготовке, откалывают небольшие частицы материала заготовки. На рис. 61 показана принципиальная схема процесса. Инструмент совершает колебания с ультразвуковой частотой (16-30 кГц) и небольшой амплитудой (0,01-0,06 мм). В рабочую зону подается взвешенный в жидкости абразив 3. Зерна подмена постепенно производят обработку щей суспензии заготовки 2. В качестве абразива обычно применяют карбид бора, в качестве жидкости - воду. Относительно высокая производительность ультразвуковой обработки, несмотря на ничтожно малую производительность каждого единичного удара, обусловлена большой частотой колебаний инструмента большим числом зерен, одновременно движущихся с ускорением (20 000-100 000 зерен на.см2).

Рис. 61. Схема обработки материалов ультразвуком в среде абразивонесущей суспензии

Съем материала происходит в основном с площадок, расположенных перпендикулярно к направлению колебания инструмента.

Ультразвуковой способ обработки представляет собой сложный комплекс процессов, однако в основном съем материала происходит вследствие прямого удара зерен абразива об обрабатываемую деталь.

Производительность размерной ультразвуковой обработки можно оценить величиной подачи инструмента Sup, объемным и удельным съемом материала.

Средняя подача инструмента при обработке неглубоких отверстий без вывода инструмента для заполнения полости абразивом.

Средний минутный съем обрабатываемого материала

Qv = npF

где F - площадь поперечного сечения инструмента.

При обработке глухих отверстий и полостей сплошным инструментом наиболее целесообразен критерий Qv, а при сквозной обработке производительность удобнее характеризовать величиной минутной подачи snp. Величина подачи snp численно равна удельной производительности ультразвуковой обработки. Под удельной производительностью понимают объем обрабатываемого материала, снятый единицей рабочей поверхности инструмента в единицy времени, т. е. отношение Qv к F. Производительность ультразвуковой обработки зависит от следующих основных факторов: физико-механических свойств обрабатываемого; материала, ампли-гуды и частоты колебаний, статической нагрузки между инструментом и заготовкой, вида абразива, концентрации суспензии и способа ее подачи в зону обработки, площади инструмента и его износа, материала инструмента.

Все материалы, обрабатываемые ультразвуковым методом, условно можно разделить на три основные группы. К первой группе относятся такие материалы, как стекло, керамика, алмаз, кремний и др., имеющие при обработке характер хрупкого разрушения Ультразвуковой метод обработки наиболее эффективен при обработке именно этой группы материалов. Сюда относятся: изготовление деталей из стекла и кварца в оптической и радиоэлектронной промышленности; изготовление деталей из полупроводников; обработка алмазов из синтетических камней.

Ко второй группе материалов относятся жаропрочные и твердые сплавы, закаленные стали и др. При обработке этих материалов под действием абразивных зерен наряду с упругими происходят и микропластические деформации. Чем большую роль играли пластические деформации, тем хуже обрабатывается материал ультразвуковым способом. Лучше других обрабатываются твердые сплавы. В этих случаях ультразвуковую обработку применяют для изготовления вырубных штампов и высадочных матриц, профилирования и затачивания твердосплавного инструмента. Ультразвуковая обработка материалов этой группы не всегда целесообразна.

К третьей группе относятся мягкие стали, медь, свинец и др. При ультразвуковой обработке таких материалов почти вся работа абразивных зерен расходуется на микроскопическую деформацию поверхностных слоев. Разрушение материала почти не наблюдается. Поэтому ультразвуковая размерная обработка абразивом, получающим колебательную энергию от инструмента, для третьей группы неприменима.

Как было показано, акустические параметры - частота и амплитуда колебаний - определяют скорость главного движения. Производительность ультразвуковой обработки в известных пределах линейно возрастает с увеличением скорости главного движения.

Таким образом, производительность обработки может быть повышена увеличением амплитуды и частоты колебаний. При более точном анализе влияния амплитуды колебаний инструмента на производительность следует учитывать отношение двойной ампли туды 2А и среднего размера абразивного зерна d3. Оптимальное отношение

2А/ d3=0,6-0,8

Статическая нагрузка (сила подачи, обеспечиваемая акустической головкой) оказывает существенное влияние не только на величину ударных импульсов сообщаемых абразивным зернам, но и на состояние зерна, а также на концентрацию абразивной суспензии под торцом инструмента.

Рис. 63. Зависимость скорости обработки от величины зернистости абразива:

1- обработка специальной керамики; 2 - обработка сплава ВК8

При ультразвуковой обработке наблюдается некоторое оптимальное значение давления инструмента на заготовку, при котором производительность максимальная (рис. 62). При постоянной амплитуде колебаний и давлении инструмента максимальная производительность достигается при некоторой оптимальной зернистости абразива (рис. 63). Оптимальная зернистость при различных амплитудах находится в пределах 90-120 (размеры зерна 180- 150 мкм). С повышением концентрации абразива до определенного значения наблюдается рост производительности вследствие увеличения количества зерен под инструментом и достаточно благоприятных условий циркуляции абразива в рабочей зоне. Оптимальные условия обеспечиваются при концентрации, равной 25-50%, или при весовом отношении абразива к воде от 1 : 1 до 1 :2 (рис. 64). При дальнейшем увеличении концентрации абразива суспензия становится очень густой и свежие зерна абразива взамен изношенных поступают в зону обработки недостаточно интенсивно.

Качество поверхности при ультразвуковой обработке зависит от зернистости абразива, физико-химических свойств обрабатываемого материала, амплитуды колебаний, шероховатости поверхности инструмента, типа жидкости, несущей абразив. Технологические характеристики, получаемые при этом методе ультразвуковой обработки, показаны в табл. 27. Абразивонесущим инструментом обрабатывают сквозные и глухие отверстия в деталях из керамики, ситалла, в кристаллах кварца, синтетических камнях и т. д. глубиной до 15 диаметров, производят фрезерование глухих канавок. Этот метод отличается высокой производительностью и точностью (табл. 28). Процесс ультразвукового фрезерования алмазным инструментом глухих канавок включает элементы ультразвуковой обработки, алмазного шлифования и фрезерования инструментом типа концевой фрезы. Использование ультразвука при алмазной обработке глухих отверстий повышает производительность в 8-10 раз, а износ инструмента снижается в 3-4 раза. Оптимальное значение амплитуды, обеспечивающее максимальную производительность и срок службы инструмента, составляет 10-12 мкм. При ультразвуковом алмазном фрезеровании пазов изменение амплитуды в пределах 0-15 мкм приводит к росту производительности в 2,5-2,8 раза; наиболее высока она при амплитуде 3-8 мкм.

Таблица 27. Технологические характеристики ультразвуковой обработки

Параметры	Обработка с помощью абразивонесущей суспензии деталей из	Обработка абразивонесущим инструментом деталей из	Ультразвуковая электрохимическая обработка деталей из
	стекла	твердого сплава	стекла	твердого сплава	стекла	твердого сплава
Диаметр d обрабатываемых отверстий, мм Глубина отверстий Удельная производительность, мм3/(минкВт), не более Скорость внедрения инструмента, мм/мин, не более . Линейный износ инструмента,	0,1-80 (5-10) d 4000 10 2,5-3	40 0,1-0,2	0,8-50 (10-15) d 16000 100 0,1- 0,2		2-80 (2-5) d	300 0,7-1 5-6

Износ инструмента минимален при амплитуде 5-8 мкм (0,012%), что в 6 раз меньше, чем при обычном фрезеровании.Ультразвуковая электрохимическая обработка абразивонесущим электролитом отличается наибольшей производительностью при относительно небольшом износе инструмента. Обработка осуществляется на основе электрохимического анодного растворения заготовки одновременным удалением продуктов растворения при подаче в рабочий зазор абразивонесущего электролита и воздействии на его ультразвуковых колебаний инструмента. Этот вид обработки пользуется в основном как черновой при изготовлении деталей твердосплавного материала. Технологические характеристики года показаны в табл. 27.

Таблица 28. Эффективность ультразвукового алмазного фрезерования

Материал обрабатываемой детали	Производительность ммі/МИН	Подача, мм/мин	Износ инструмента	Шероховатость Rа (на дне пазам
Оптическое стекло К8 Стекло ТФ-3 Ситалл СТЛ-7 Кварцевое стекло Гранит. Керамика Минералокерамика ЦМ-332 Силицированный графит ПГ-50С	5752 7602 6526 6428 5920 4500 2810 457,6	81 113 95 97 81 55 40 5,3	0,049 0,017 0,07 0,025 0,026 0,08 0,46 0,287	2,18 2,32 2,22 1,81 2,26 1,5 1,43 1,22

5. СТАНКИ И ИНСТРУМЕНТ ДЛЯ ОБРАБОТКИ УЛЬТРАЗВУКОМ

В настоящее время в Советском Союзе создано большое количество установок и станков для размерной ультразвуковой обработки. Для ультразвуковой размерной обработки разработана новая гамма копировально-прошивочных станков. В основу гаммы положены две универсальные базовые модели имеющие соответственно мощность генератора 0,1-0,4 и 1,6-2,5 кВт. На основе первой модели гаммы H;I стольного исполнения разработан станок мод. 4А771П повышенной точности, рассчитанный на работу с абразивной суспензией и алмазным инструментом. Он имеет вращающийся шпиндель и стол, перемещающийся по координатам. Станок предназначен для обработки отверстий, щелей и I фасонных полостей. Станок оснащен устройством для правки, микроскопом для контроля размеров инструмента и амплитуды его колебаний. На базе второй модели разработаны и серийно выпускаются станки мод. 4Д77 с индексом Э оснащены источниками4Д772Э, 4Д772К. Станки технологического тока, что позволяет вести электрохимическую ультразвуковую обработку.

Техническая характеристика станков мод. 4А771П и 4Д772 приведена в табл. 29. Ультразвуковой копировально-прошивочный станок мод. 4Д772К показан на рис. 65Кроме универсальных станков, разработан ряд ультразвуковые станков специального назначения для сверления алмазных и твердосплавных фильер, отверстий в камнях-самоцветах, резки пол> проводниковых материалов.

Для обработки алмазных фильер серийно выпускается станок мод. МЭ-76, техническая характеристика которого приведена ниже.

Рис. 65. Ультразвуковой копировально-прошивочный станок мод. 4Д772К

Техническая характеристика ультразвукового станка мод. МЭ-76

Диаметр обрабатываемого отверстия, мм 0,12-1,6

Диаметр стола, мм 15

Перемещение головки, мм, не более 120

Частота вращения шпинделя, об/мин 1000

Рабочий ход стола, мм 6

Сила подачи, Н 0,2-40

Резонансная частота, кГц 22 + 7,5%

Акустическая мощность, кВт 0,1

Амплитуда колебаний инструмента, мкм 20-30

Габаритные размеры станка (длина, ширина, высота) мм 1180x650x1450

Масса, кг 250

На базе станка мод. МЭ-76 разработан станок мод. МЭ-3:' для сверления алмазным инструментом отверстий диаметром 1-2 мм и глубиной до 30 мм в изделиях из камней-самоцветов со скоростью до 25 мм/мин.

При ультразвуковой обработке неметаллических материалов вращающимся алмазным инструментом на металлической связке удается существенно повысить точность обработки, снизить расход алмазов. Рекомендуемая концентрация алмазов в связке /С=100% (4,39 карата алмазов в 1 см3 алмазоносного слоя - около 25 % его объема). Наилучшие режущие свойства показывают инструменты на металлических связках Ml и М5-10 с алмазами марок А, САМ АCK. Шероховатость обработанной поверхности приведена в таблице 30.

Таблица 30. Шероховатость поверхности при ультразвуковом алмазном фрезеровании канавок

Параметр	Шероховатость, мкм
	0,63	1,25	2,5	5,2
Подача Зернистость инструмента	20 63/50-53/40	160/125- 63/50	20-30 250/200- 160/125	400/315- 250/200

Алмазный инструмент для обработки пазов и глубоких отверстий представляет собой стержень длиной, кратной длине - полуволны, диаметром 3-15 -мм с каналом для подачи СОЖ (рис. 66). С помощью резьбового хвостовика он закрепляется в ультразвуковой головке.

рис. 67. Устройство универсальной ультразвуковой головки:

Рис. 66. Алмазный инструмент для ультразвуковой обработки пазов и глубоких отверстий

Корпус подвижный; 2 - щетка; 3 - обмотка; 4 - корпус неподвижный; 5 - концентратор; 6 - штуцер

Для обработки материалов на существующих фрезерных станках разработана универсальная ультразвуковая головка мод. УЗВГ-4 (рис. 67), питаемая от серийного генератора УЗГ-3-0,4.

Инструмент для ультразвуковой обработки в абразивонесущей суспензии изготовляют из малоуглеродистых нетермообработанных сталей (сталь 20, сталь 35). Если инструмент изготовляют за одно целое с концентратором, то применяют стали с повышенным содержанием углерода, имеющие малые потери на внутреннее трение (стали 45, 45Х, 65Г и др.). Инструмент для образования отверстий малого диаметра изготовляют из сталей У8А. Точность изготовления инструмента должна быть высокой. Так, если точность операции имеет порядок 0,01-0,02 мм, то инструмент следует делать с точностью 0,005-0,008 мм. Шероховатость поверхности не ниже

Ra = 0,634-1,25 мкм

При изготовлении инструмента необходим учитывать его влияние на резонансную частоту и амплитуду колебаний. Так, например, увеличение длины и массы инструмента приводит к снижению резонансной частоты, а также к уменьшение амплитуды колебаний. Присоединение малой массы инструмент (при площади инструмента меньше площади нижнего торца концентратора) приводит к увеличению амплитуды колебаний рабочего торца инструмента. Инструмент следует делать по возможности и полым, чтобы при сквозной прошивке он вырезал лишь часть материала. Желательно, чтобы контур внутренней полости такого инструмента повторял очертания внешнего контура. В этом случае износ инструмента будет равномерным по всему сечению. Необходимо иметь в виду, что чрезмерное облегчение инструмента путем увеличения его внутренней полости приводит к уменьшению жесткости и может вызвать неравномерное распределение амплитуды колебаний по периметру. Чтобы инструмент служил дольше, eго делают с некоторым запасом по длине. При этом резонансная частота колебаний системы бывает несколько ниже номинальной. По мере износа инструмента резонансная частота увеличивается, а амплитуда колебаний сначала возрастает, а затем, пройдя резонансную частоту, начинает уменьшаться. Инструмент используют до тех пор, пока дальнейший его износ не снизит амплитуду колебаний до величины, при которой скорость обработки заметно упал или пока износ инструмента не начнет сказываться на точности обработки. Для ультразвукового станка средней мощности допустимое отклонение рабочей частоты от номинальной резонансной составляет 6%.

При проектировании нового инструмента целесообразно предусматривать припуск 3-5 мм на подгонку частоты. При подгонке 1асть припуска срезается, если резонансная частота головки с этим инструментом оказывается слишком низкой. При проектировании инструмента следует также учитывать боковую разбивку отверстия величина которой (0,06-0,36) мм зависит от размера зерна абразивива.

В процессе обработки необходимо обеспечить непрерывное перемещение инструмента (движение подачи), а также создать определенную статическую нагрузку между ним и заготовкой. Кроме того, при обработке глухих отверстий и полостей необходимо периодически выводить инструмент для заполнения полости свежим абразивом и удаления продуктов износа. Эти функции выполняет акустическая головка. Акустическая головка позволяет автоматически и вручную осуществлять необходимые перемещения шпинделя станка, поддерживает заданный режим работы. Приборы, устанавливаемые на акустической головке, позволяют определить, необходимую силу подачи.

ГЛАВА ЧЕТВЕРТАЯ. ЭЛЕКТРОХИМИЧЕСКИЕ МЕТОДЫ ОБРАБОТКИ МАТЕРИАЛОВ

1. ЭЛЕКТРОХИМИЧЕСКАЯ ОБРАБОТКА В СТАЦИОНАРНОМ ЭЛЕКТРОЛИТЕ

Электрохимическими называются методы обработки металлов, основанные на использовании явления электролиза, т. е. явлений, возникающих при прохождении электрического тока через растворы электролитов.

В большинстве электрохимических методов обработки используется преимущественно процесс анодного растворения - переход металла, помещенного в электролитическую ванну в качестве анода, из металлического состояния в различные неметаллические соединения (соли, гидроокиси, окислы).

В электролитах молекулы вещества распадаются на электрически заряженные частицы - ионы, каждый из которых переносит один или несколько электрических зарядов.

Число положительных И отрицательных зарядов, переносимых ионами, одинаково, и поэтому в целом электролит электрически нейтрален.

Например, молекула хлористого натрия, растворяясь в воде, распадается на катион натрия Na+ и анион хлора С1, кроме того, вода содержит Ионы водорода Н+ и гидроокиси ОН-.

Если к электродам, погруженным в этот раствор, приложить разность потенциалов, то анионы гидроокиси ОН~ и хлора С1~ будут двигаться к аноду, а катионы водорода Н+ и натрия Na+ - в сторону катода (рис.68).

Электрическая цепь (источник питания - электрод - электролит - электрод - источник питания) при этом замкнется, и источник питания будет перемещать электроны по внешней цепи. Ионы металла Me будут переходить в раствор.

Для железа, например, это можно записать следующим образом:

Fe-2e^Fe+2

Рис. 68. Схема анодного растворения металла

Образующийся ион металла Me связывается с ионом гидроокиси ОН~, образуя гидрат окиси металла Ме(ОН), который плохо растворяется в воде и выпадает в осадок:

Fe+2 + 2ОН~ -* Fe (ОН)

Ионы водорода Н+ разряжаются на катоде, образуя атомы водорода, которые в виде пузырьков уходят из раствора:

Н+ + е -> Н; Н + Н -> H2f.

Кроме указанных основных электродных реакций, возможны и другие побочные. Например, выделение газообразного кислорода аноде:

2ОН- - 2е

Н2О

О; О + О -> O2f.

Содержащиеся в растворе ионы хлора и натрия переносят электрические заряды, их присутствие может вызвать или образование щелочи NaOH и хлористого железа FeCl, или выделение газообразного хлора на аноде.

Классификация операций электрохимической обработки. Операции электрохимической обработки, осуществляемые по одному и тому же принципу, по существующей классификации могут быть разделены на две различные (по технике проведения и результатам) группы: 1) при невысокой плотности тока в стационарном электролите; 2) при высокой плотности тока в проточном электролите (анодно-гидравлическая обработка).

Электрохимическую обработку в стационарном электролите делят на полирование, профилирование (копирование), заострение' (затачивание), доводку.

Электрохимическую обработку в проточном электролите подразделяют на профилирование (копирование), резание, прошивание, протягивание и калибрование.

Рис. 69. Схема электрохимической обработки в стационарном электролите

а- схема установки; б-д-последовательные стадии сглаживания поверхности; 1 - источник тока; 2 - резистор; 3 - электролит: 4 - ванна; 5-заготовка; 6 - пленка продуктов растворения во впадинах поверхности; 7 - силовые линии тока; 8 - катод

При электрохимической обработке с высокой плотностью тока необходимо интенсивное удаление из зоны обработки продуктов анодного растворения. Последнее может осуществляться одним из трех способов: поточным электролитом, прокачиваемым под давлением через зону обработки; механическим, электроэрозионным и ультразвуковым воздействием на обрабатываемую поверхность; механическим удалением шлифовальным диском, хонами или абразивными частицами, свободно находящимися в электролите.

На рис. 69 показана принципиальная схема электрохимической обработки в стационарном электролите для наиболее типичной; операции - электролитического шлифования или полирования. Электрический ток, проходя через электролит 3 и электроды 8 и 5, вызывает растворение поверхности анода 5 в электролите и образование продуктов растворения 6, которые, задерживаясь в углублениях шероховатости поверхности, изолируют последние or прохождения тока, сосредоточивая его силовые линии на незащищенных участках поверхности анода. Происходит быстрое растворение выступов, и поверхность анода сглаживается.

Электрополирование имеет многообразное применение. Наилучшее качество поверхности достигается при электрополировании чистых и однородных металлов и сплавов. Полирование турбинных лопаток из легированных и труднообрабатываемых сплавов (удаление поверхностно-напряженных слоев металла после-механической обработки, повышение коррозионной стойкости и уменьшение шероховатости поверхности, уменьшение трудоемкости операции), полирование зубьев зубчатых колес (улучшение прирабатываемости, удаление дефектного поверхностного слоя, снижение трудоемкости операции), наружное и внутреннее полирование труб из легированных сталей и специальных сплавов (улучшение качества поверхности и снижение трудоемкости).

Процесс профилирования осуществляется за счет анодного растворения заготовки, помещенной внутрь полого цилиндрического катода. Растворение происходит интенсивнее на участках, более близких к катоду, результатом чего является изменение формы, в данном случае округление заготовки. Электролит - растворы кислот и солей.

Заострение и затачивание режущего инструмента осуществляют за счет создания на лезвии повышенной плотности тока, что обеспечивается соответствующим расположением лезвия инструмента относительно катода; характер заострения зависит также *от первоначального угла заточки. Электролитом являются растворы кислот.

Доводку электрохимическим методом при стационарном электролите используют для обработки поверхностей штампов, пресс-форм и литейных форм после электроэрозионной обработки. При затачивании и доводке можно получить точность до 0,1 мм при высоте микронеровностей обработанных поверхностей

Ra = 0,32ч-0,63 мкм

Достоинства электрохимической обработки в стационар ном электролите: возможность получения поверхностей с малой высотой микронеровностей, отсутствие необходимости в специальном инструменте. Недостатки: невысокая удельная производительность, чувствительность к изменениям состава электролита и его состояния, проявляющаяся в нарушении стабильности процесса, влияние на процесс неоднородности строения заготовки.

2. АНОДНО-ГИДРАВЛИЧЕСКАЯ ОБРАБОТКА

При анодно-гидравлической обработке применяют токи высокой плотности. Локализация процесса обработки обеспечивается конструкцией инструмента и созданием малых межэлектродных зазоров. Образующиеся при электролизе продукты растворения удаляются из межэлектродного промежутка потоком электролита. На рис. 70 дана принципиальная схема электрохимической обработки в проточном электролите. Ток, проходя между катодом-инструментом 3 и анодом - заготовкой 1, вызывает растворение поверхности анода, в результате чего в нем воспроизводится про--филь катода-инструмента в виде углубления 4 негативной формы. В начале процесса отдельные участки катода 3 располагаются значительно ближе к заготовке-аноду /, и через них за счет меньшего сопротивления электролита 2 проходит ток большей величины. В результате находящиеся здесь участки заготовки подвергаются анодному разрушению быстрее.

Электрический ток проходит и на других участках, но за счет меньшей плотности тока на этих участках скорость их анодного растворения менее интенсивная.

Рис. 70. Схема электрохимической обработки в проточном электролите - воспроизведение профиля катода на аноде

В конце обработки, когда анод приобретает отображенную форму катода, плотность тока выравнивается по всей поверхности. В реальных условиях процесс значительно усложняется, что приводит к неравномерному съему металла. Поэтому рабочая часть электрода-катода представляет собой, в свою очередь, несколько откорректированный профиль обрабатываемого элемента заготовки.

Состав электролитов зависит от химического состава обрабатываемого материала. Для применяемых при обработке большинства марок конструкционных сталей это водные растворы поваренной соли NaCl концентрации 10-20%. Для обработки заготовок из титана рекомендуется 25%-ный раствор серной кислоты. Для обработки деталей из алюминиевых сплавов иногда применяют растворы, содержащие 10% поваренной соли и 10 г/л лимонной кислоты. Применяются электролиты и других химических составов; данные о них приведены в справочной литературе.

Питание установок размерной электрохимической обработки обычно производится выпрямленным током однофазного или трехфазного полупроводникового выпрямителя.

К достоинствам электрохимической обработки в проточном электролите относятся: высокая производительность, достигающая десятков тысяч кубических миллиметров в минуту; отсутствие износа электрода-инструмента; возможность повышения производительности с сохранением или повышением точности обработки при необходимой шероховатости поверхности. Недостатки: высокая энергоемкость процесса; необходимость принятия специальных мер для удаления интенсивно выделяющихся осадков гидроокисей и газов; трудность управления процессом при обработке заготовок сложного профиля с высокой точностью; необходимость обеспечения интенсивной циркуляции электролита при обработке; некоторое снижение выхода по току при возрастании плотности тока.

Производительность процесса может характеризоваться интенсивностью анодного растворения металла или скоростью съема металла (мм3/мин) с обрабатываемой поверхности. Скорость съема металла с обрабатываемой поверхности можно рассчитать ю формуле

где К - электрохимический эквивалент, мм3/мин; U - напряжение на электродах, В; х Эф - эффективная электропроводность (промежутка), Ом-; б - межэлектродный зазор, мм; т] - выход по току, % (представляет собой отношение количества фактически растворившегося металла к теоретическому, рассчитанному из предположения, что на аноде происходит лишь одна реакция растворения металла).

На величину съема, как и на другие технологические показатели, кроме свойств электролита влияют многие факторы электрического и гидродинамического характера, изменяющиеся в широких пределах. Ниже приведены пределы изменения режимов обработки.

Таблица:

Напряжение на электродах, В	8-24
Плотность тока, А/см2	До 300
Скорость потока электролита, м/с	1-30
Межэлектродный зазор, мм	0,1-6
Давление в электролите в промежутке, МПа	До 5

Выбор скорости потока электролита определяется в значительной мере допустимым нагревом его в промежутке. Процесс протекает устойчиво, если перепад температур на входе и выходе электролита не превышает 8-10° С; при этом расход электролита должен составлять 200-300 л/мин на каждые 1000 А.

Скорость формообразования при анодно-гидравлической обработке зависит от анодной плотности тока. Предельная плотности тока в межэлектродном промежутке лимитируется минимальным зазором, допустимым по условиям удаления гидроокиси металла. нагрева электролита и возможностью электрического пробоя промежутка. При анодно-гидравлической прошивке и обработке поверхностей небольших площадей (до 50-100 см2) с равномерным припуском минимальный межэлектродный зазор может был снижен до 0,1-0,3 мм. Скорость обработки в этом случае достигает 0,5-2 мм/мин. При обработке поверхностей (0,5-2 м2) с большой неравномерностью припуска обработку ведут при больших зазорах (1--10 мм). Скорость съема металла в этом случае составляет 0,02-0,2 мм/мин.

Производительность, оцениваемая интенсивностью растворения металла, зависит от количества электричества, реализованного в межэлектродном промежутке. Выпускаемые источники тока позволяют довести интенсивность съема металла до 100-250 Н/ч.

Точность обработки и качество поверхности. При анодно-гидравлической обработке погрешности зависят от неточности изготовления станков, инструментов и приспособлений и других факторов, общих для механической и электрохимической технологии. Однако не эти факторы определяют относительно низкий уровень точности электрохимического формообразования. Основной причиной возникновения погрешностей при анодно-гидравлической обработке является изменение электродного зазора под воздействием специфичных для процесса колебаний электрохимического и гидродинамического характера. В начальный момент обработки межэлектродный зазор в различных сечениях определяется начальной неравномерностью поверхности заготовки (рис. 71), поэтому процесс анодного растворения заготовки происходит с различной скоростью. Там, где зазор меньше, а плотность тока выше, съем идет интенсивнее. Межэлектродный зазор постепенно выравнивается, неровности на обрабатываемой поверхности уменьшаются, достигая к концу обработки какой-то величины А. Чем скорее идет выравнивание, тем быстрее стабилизируются электрохимические и гидродинамические условия процесса, тем меньше будут погрешности, переносимые с заготовки на готовую деталь. Выравнивающие свойства процесса можно оценить показателем:

Zmin - Дн

где /Св - коэффициент выравнивания; Zmin - минимальный при-1пуск (по впадине), мм; Дн - высота начальных неровностей, мм; Лк - высота конечных неровностей, мм.

При однородном составе электролита и отсутствии концентрационных изменений в межэлектродном промежутке процесс выравнивания профиля сопровождается удалением металла, в десятки раз превосходящего реально необходимый припуск. Коэффициент выравнивания изменяется от 0,1 до 0,9 и зависит от [состава электролита, материала заготовки, межэлектродного [зазора, температуры электролита ,и других факторов. Состав 1 электролита и материал заготовки в большей мере, чем другие |факторы, влияют на коэффициент выравнивания Кв-

По мере усиления пассивирующих явлений процесс выравнивания ускоряется. При применении электролитов, способных защищать впадины от растворения, коэффициент выравнивания Повышается. Например, при обработке в растворах хлорноводокислого натрия процесс съема протекает в основном по выступам при высоком темпе выравнивания. С уменьшением межэлектродного зазора выравнивание также ускоряется. Точность обработки I достигает 0,05-0,15 мм при прошивке отверстий и 0,2-0,5 мм При обработке полостей сложной формы.

Шероховатость поверхности, обработанной анодно-гидравлическим способом, зависит от состава электролита, плотности тока, формы кривой тока и напряжения, скорости потока электролита и его температуры. Состав электролита, его соответствие конкретному материалу заготовки является важнейшим фактором, влияющим на шероховатость поверхности. Наиболее распространенный электролит -раствор хлористого натрия - дает возможность (при соответствующих параметрах процесса) получить обработанную поверхность с высотой микронеровностей до:

Ra- = 0,32-4-0,64 мкм

С повышением температуры электролита шероховатость обработанной поверхности увеличивается. С повышением плотности тока шероховатость поверхности уменьшается. Это особенно заметно при изменении плотности тока от 2 до 8 А/см2.

Увеличение плотности тока св. 15 А/см2 заметного снижения' шероховатости не дает.

Регулирование процесса анодно-гидравлической обработки.

Устойчивость электрохимического процесса при необходимых, производительности и качестве обработки обеспечивается системой регулирования.

Направленное анодное растворение без существенного искрообразования обеспечивается при межэлектродных зазорах определенной величины, зависящих от конкретных условий обработки. В связи с этим все существующие системы регулирования электрохимических станков построены на принципе поддержания оптимального зазора между электродами. При работе с малыми зазорами особенно важно согласовать между собой скорость Ущ движения инструмента-катода и линейную скорость Q/ растворения: обрабатываемого металла. Это важно для обеспечения необходимой производительности процесса и исключения возможности! короткого замыкания.

В реальных условиях величина Q/ не остается постоянной, и поэтому регулирование подачи катода должно производиться? в соответствии с ее изменением. Поэтому линейную скорость растворения можно назвать прямым параметром регулирования. Однако определить значение Qv' с точностью, достаточной для»' практического использования, не представляется возможным в силу большой -сложности процессов, протекающих при размерной электрохимической обработке. Соотношение между v и Q/" наиболее целесообразно было бы определять по изменению межэлектродного зазора непосредственно.

Но и это невыполнимо, j поскольку в процессе работы зазор невозможно измерить.

В этих условиях контроль межэлектродного зазора осуществляют при помощи так называемых косвенных параметров регулирования, функционально зависимых от величины зазора.

К числу таких параметров можно отнести напряжение на электродах, силу i и плотность тока, давление жидкости в зазоре.

При использовании плоских катодов площадь обрабатываемой поверхности не изменяется в течение всего процесса.

В этом слу-1 чае омическое сопротивление столба электролита между электродами определяют по формуле, где рэ - удельное сопротивление электролита; б- величин* зазора между электродами (величина столба электролита); So - площадь обрабатываемой поверхности.

Если в течение процесса обработки площадь обрабатываемо! поверхности постоянна, то в соответствии с законом Ома можно с достаточной для практического использования точностью судит! об изменении зазора б по значениям силы тока и напряжения

Однако явление поляризации электродов (и изменение удельного сопротивления столба электролита в межэлектродном зазоре) исключает достаточно достоверное определение зазора.

Межэлектродный зазор, через который прокачивают электролит, можно представить как дроссель. Расход жидкости через дроссель:

Q = САр"

где С -коэффициент, определяемый величиной открытия щели дросселя и состоянием рабочей жидкости; Ар - перепад давлений на дросселе (в данном случае - на межэлектродном зазоре); и - показатель степени, зависящий от конструктивных параметров дросселя.

Расход жидкости в процессе обработки определяется подачей насоса, которую можно считать постоянной. Величины С и а зависят только от размеров зазора. Таким образом, при установленном 1азоре фиксируется вполне определенное значение Ар, которое и ходе электрохимического процесса может служить эталоном регулирования. По мере врезания катода в обрабатываемую заготовку площадь обработки So и путь протекания электролита увеличиваются. Это приводит к изменению Ар и ухудшению процесса регулирования по перепаду давления на межэлектродном зазоре.

Наиболее универсальным можно считать регулирование промесса по анодной плотности тока. Из формулы, определяющей омическое сопротивление столба электролита в межэлектродном !.1зоре, следует, что с увеличением площади обработки при сохранении параметра регулирования постоянным зазор должен уменьшаться:

p8 = Rr,So

Это способствует повышению точности обработки к концу процесса. Во избежание чрезмерного уменьшения зазора в конце обработки начальный зазор должен быть определен из условия.

Величину бк конечного зазора следует выбирать таким образом, чтобы исключить возможность искрообразования. Напряжение в начале процесса может быть принято равным ЭДС источника питания; напряжение в конце обработки в каждом отдельном случае определяется опытным путем. Предотвращение короткого замыкания обеспечивается снятием питающего напряжения, так как осуществить достаточно быстрое разведение электродов невозможно. Снятие напряжения осуществляется по сигналу схемы предупреждения коротких замыканий о наличии или приближении такого опасного режима (за 0,02-0,05 с до короткого замыкания, что достаточно для срабатывания автоматики защиты).

Рис. 73. Схема прошивания отверстия анодно-гидравлическим способом

 Электрохимическое формообразование. Высокая эффективность электрохимического формообразования достигается при обработки многих заготовок сложной формы. Одним из распространенных видов этой обработки является обработка рабочего профиля турбинных лопаток (рис. 72). Заготовку 2 помещают между двумя латунными копирами - электродами 1 - соответствующей формы на расстоянии 0,3-0,5 мм от них. Через образовавшийся зазор под давлением около 1 МПа прокачивают 10%-ный раствор поваренной соли, подаваемый через штуцер 3. Режим формообразования: напряжение на электродах 8-11 В, плотность ток* 15-20 А/см2, скорость подачи 0,3-0,4 мм/мин. Металл с заготовки удаляется со скоростью подачи при шероховатости обработанной поверхности

a=l,25-f-2,5 мкм

Исходя из особенностей электрохимического формообразования, полагают, что максимальный припуск, удаляемый с обрабатываемой поверхности, должен быть не более двойного минимального припуска. Так, если в среднем с любой точки снимают п 0,8 мм, то минимальный съем в любой части заготовки должен быть не менее 0,4 мм.

В процессе электрохимического формообразования одновременно выявляются дефекты обрабатываемой поверхности, в частности, микротрещины. Таким образом, при обработке осуществляется не только формообразование, но и контроль качества, что особенно важно для ответственных деталей, например, турбинных лопаток.

Практика показывает, что электрохимические методы формообразования в 4-10 раз производительнее механической обработки. Электрохимический метод обработки особенно эффективна при обработке заготовок из труднообрабатываемых стали и сплавов.

Электрохимическое прошивание отверстий. Прошивание отверстий анодно-гидравлическим методом выполняют полым электрш дом (рис. 73). Инструментом служит металлическая трубка ¦ покрытая снаружи тонким изоляционным слоем 3. В трубы под давлением подают электролит. Трубка включена в электросеть и качестве катода, а обрабатываемая заготовка 1 - в качестве анода. Интенсивное анодное растворение металла с поверхности метали под торцом трубки приводит к образованию полости 5, |лубина которой может быть задана произвольно поступательным перемещением трубки с электролитом. Диаметр трубки 4 выбирается обычно меньше, чем диаметр отверстия 5, примерно на 025-0,05, а иногда и на 0,1 мм на сторону. Электролит, выходящий из трубки .возвращается по зазору между стенками отверстия и трубки и через местную ванну 2 откачивается в систему циркуляции.

Электролитом служит раствор солей, в частности, хлористого натрия. Плотность тока в зависимости от интенсивности прокачки электролита, состава обрабатываемого материала и других факторов находится в пределах 100-300 А/см2 при напряжении1-12 В. Иногда плотность тока доводят до 600 А/см2. Скорость углубления обычно находится в диапазоне 1-6 мм/мин. Отверстие может быть любой конфигурации, определяемой профилем сечения инструмента.

В потоке электролита производят операции обработки шлицев, Мальцевых каналов и полостей в трубах, утонения сферических поверхностей, и т. д.

Особенности электрохимического формообразования глубоких точных отверстий. Детали с глубокими и точными отверстиями широко применяют в промышленности. Технологические приемы механической обработки таких отверстий, как правило, сложны, сопровождаются большими затратами ручного труда и часто дают низкое качество обработанных поверхностей. Здесь, особенно на отделочных операциях, электрохимический метод обработки весьма эффективен.

Размерную электрохимическую обработку глубоких отверстий выполняют с неподвижным или подвижным катодом. Применение неподвижных катодов без осевой подачи имеет следующие недостатки: трудность точного центрирования длинного катода; необходимость применения фасонного катода для обработки комбинированных ступенчатых отверстий; копирование дефектов поверхности катода обрабатываемой поверхностью.

Для повышения качества обработки катоду-инструменту (или заготовке) придают вращение. При значительном различии параметров заготовки и инструмента применяют схему с эксцентричным расположением неподвижного инструмента при вращении заготовки с частотой 5-20 об/мин. Неподвижные катоды рекомендуется применять при вращении заготовки и в случае обеспечения необходимой жесткости:

1/d^lQ

где / - длина катода, d - диаметр обрабатываемого отверстия.

Применение подвижных катодов уменьшает или исключает недостатки неподвижных катодов. К достоинствам этого вида обработки относятся: возможность использования катодов простой формы, например, гладких или ступенчатых с цилиндрическими участками; обеспечение необходимого центрирования, что осуществляется применением изолирующих направляющих втулкой и пластин; практического исключения копирования дефектом поверхности инструмента обрабатываемой поверхностью.

Рис. 74. Схемы электрохимической обработки отверстий подвижным катодом

Схемы электрохимической обработки отверстий подвижными катодами показаны на рис. 74. Применение подвижных катодов позволяем резко увеличить производительность процесса, так как обработка отверстия происходит по всей его длине. Обработку целесообразно производить при вертикальном расположении заготовки и катода инструмента для уменьшения его прогиба.

На рис. 74, а, б показаны схемы обработки короткими подвижными электродами, на рис. 74, в, г - длинными. С длиной h рабочего участка, равной длине переходного конуса /к, катод, двигаясь в отверстии заготовки Do, образует фасонное отверстие, состоящее из цилиндрического и конического участков. Двухступенчатый электрод (рис. 74,6, г) позволяет обработать участок /2.

Для выполнения отверстий высокой точности применяют обработку при малых межэлектродных зазорах (до 0,01 мм) с центральным и эксцентричным расположением инструмента. Эксцентричное расположение инструмента позволяет производить обработку заготовок с диаметром отверстий гораздо большим, чем диаметр применяемого электрода. Практическое осуществлена при этом находят следующие варианты схемы: 1) инструменту придают вращение с окружной скоростью 5-15 м/с при радиальной подаче до 0,1 мм/мин; частота вращения заготовки 1Ь-20 об/мин (рис. 75, а); 2) инструменту, выполненному в виде усеченного конуса (конусность 2-3°), придают вращение со скоростью 5-15 м/с и продольную подачу до 150 мм/мин; частота вращения заготовки 5-60 об/мин (рис. 75, б); эту схему применяют при обработке отверстий диаметром 50-200 мм; 3) инструменту придают только радиальную подачу, а заготовку приводя! во вращение со скоростью 5-20 м/с (рис. 75,в).

Размерная электрохимическая обработка по указанным вариантам имеет следующие достоинства: возможность получения высокой точности и минимальной шероховатости обработанной поверхности; снижение требований к стабилизации параметров процесса; снижение энергоемкости процесса обработки за счет уменьшения электрического сопротивления в зазоре.

Рис. 75. Схемы электрохимической обработки отверстий с эксцентричным расположением катода-инструмента

Схему выбирают в зависимости от заданной шероховатости обрабатываемых поверхностей, точности и других выходных параметров. Размерная электрохимическая обработка при питании постоянном током, как правило, не обеспечивает высокой точности и качества обрабатываемых поверхностей. Можно существенно повысить точность обработки и ее качество, применяя импульсно-циклическую схему электрохимической обработки. При этом обработка производится при коротких импульсах технологического тока длительностью:

tu=0,0024-0,004 с

Чтобы уменьшить влияние температуры, загазованности и захламленности электролита на электропроводность, длительность пауз выбирается из условия полной замены электролита в межэлектродном промежутке. В этих условиях можно получить погрешность формообразования (копирования) не хуже 0,05 мм при существенно уменьшенной шероховатости обработанных поверхностей. Электрохимический метод 1воляет также производить операции протягивания и калибрования фасонных отверстий.

Электрохимическое разрезание заготовок производят металлическим без механического контакта с ней. Между диском и заготовкой движущимся электродом. ружная скорость диска достигает 30-40 м/с, обеспечивает производость нос инструмента

3. АНОДНО-МЕХАНИЧЕСКАЯ ОБРАБОТКА МАТЕРИАЛОВ

Анодно -механическую обработку производят при повышенной плотности тока. Анодное разрушение материала дополняется интенсивным электроэрозионным воздействием многочисленных тепловых очагов, возникающих в точках контакта поверхностей I катода и анода. Под термическим воздействием электрического тока съем металла заметно увеличивается. Специфическая особенность данного процесса состоит в том, что одновременно плавятся небольшие участки обрабатываемой поверхности, возникающие в точках контакта заготовки и электрода-инструмента. В тоже время процесс плавления является кратковременным, чин предотвращает проникновение тепла в массу металла заготовки, и тепло воздействует лишь на тонкий поверхностный слой, в котором могут произойти незначительные структурные изменения. Поскольку величина участков активной поверхности невелика локальные плотности тока достигают весьма значительных величин (до нескольких тысяч А/см2). Ввиду этого металл в отдельны» точках поверхности нагревается до очень высоких температур плавится, частично испаряется и выносится из зоны обработки.

Там, где металл удален, процесс прекращается, возникая в других местах. Благодаря смещению этих явлений, процесс съем и происходит непрерывно. Рабочей средой при анодно-механической обработке являем« электропроводный электролит - водный раствор силиката натрии (жидкое стекло)

Na2OnSiO2 + /nHaO.

Важной характеристикой этого электролита является модуль Д1 он вычисляется по формуле:

М = -1,032

где А-процентное содержание кремнезема; Д - процентное содержание окиси натрия: 1,032 - процентное отношение молекулярного веса окиси натрия к молекулярному весу кремнезем.) Объемный вес рабочей жидкости должен состав:

(1,28-1,32) Ю-4 Н/см3

Модуль:

М = 2,6-^3

В результате возникновения электроэрозионных явлений и -и анодно-механической обработке с увеличением производительное: и повышается шероховатость обрабатываемых поверхностей Поэтому этот вид обработки применяют в основном для черновых операций.

Анодно-механическая резка металлов. Характерным видом анодно-механической обработки является резка металлов. Анодно-механическая резка металлов основана на комбинированном BIM действии электрических, тепловых и механических факторов нарезаемую заготовку и производится на специальных станках. Схема установки для анодно-механической резки показана на рис. 76. Разрезаемую заготовку 1 в большинстве случаев уснавливают на станке неподвижно, а электроду-инструменту сообщают сложное движение относительно заготовки; быстрое главное движение и движение подачи. В зону резания подводится рабочая Жидкость. Резка сопровождается интенсивным образованием искр, которые выбрасываются из зоны резания. Эти искры представляют собой Частицы расплавленного металла, окруженные оболочкой из рабочей Жидкости. Ширина реза зависит от Толщины электрода-инструмента и обычно составляет 1,8-2,5 этой толщины.

Рис- 76- Схема анодно-механической резки материалов.

При анодно-механической обработке механические свойства обрабатываемого материала не оказывают заметного влияния на интенсивность процесса обработки. На интенсивность анодно-механической обработки оказывают некоторое влияние такие свойства материала, как температура плавления, теплопроводность и теплоемкость.

Высокая производительность резки может быть достигнута лишь три интенсивных электрических режимах, которые характеризуются напряжением и силой тока. Напряжение, необходимое, для анодно-механической резки, составляет 20-28 В, и его выбирают в зависимости от размеров поперечного сечения заготовок, -ила тока колеблется в значительных пределах и в зависимости размеров заготовки и интенсивности процесса может достигать нескольких сотен ампер. Диаметр заготовки, мм 50 100 150 200 Ток, А 80-100 125-150 200-225 275-300. На производительность процесса резки существенно влияет скорость главного движения электрода-инструмента. Оптимальный интервал скорости главного движения 15-25 м/с. При малой скорости инструмента мало количество электрических разрядов, при большей - сокращается продолжительность их воздействия, в том и другом случае производительность резко уменьшается Нормальный режим обработки предусматривает также и оптимальное давление электрода-инструмента на разрезаемую заготовку. Давление инструмента на заготовку должно находиться в интервале:

0,08-0,2 МПа

Сравнительные показатели производительности анодно-механической и механической резки приведены в табл. 31. Анодно-механическое затачивание режущего инструмента. Анодно-механический метод обработки успешно применяют для затачивания инструмента, оснащенного твердосплавными пластинами. Схема анодно-механической заточки инструмента показана рис. 77. Затачиваемый инструмент 1 и вращающийся заточной диск 2 соединяют с источником 5 постоянного тока через регулируемый резистор 4. Промежуток между затачиваемой поверхностью инструмента и диском заполняется рабочей жидкостью. Напряжение к инструменту подводится через коммутаторное кольцо 3.