Электрофизические и электрохимические методы обработки

Электрическими методами обработки называют группу новых методов, применяемых для целенаправленного удаления материала с обрабатываемой поверхности с целью формообразования деталей, разрезания, соединения деталей и измерения физико-механических свойств поверхности. Эти процессы осуществляются с помощью электрической энергии, вводимой либо непосредственно в зону обработки, либо при предварительном специальном преобразовании ее вне рабочей зоны в световую, акустическую, магнитную и другие виды энергии.

Большое разнообразие электрических методов обработки материалов, а также их комплексность затрудняют применение единой классификации по какому-либо отдельному признаку. Наиболее широкое применение получила упрощенная классификация по характеру воздействия электрического тока на предмет обработки. Согласно такой классификации все электрические методы обработки условно подразделяют на две большие группы:

- электрофизические методы (ЭФ), основанные на тепловом или механическом действии электрического тока;

- электрохимические методы (ЭХ), основанные на химическом действии электрического тока.

Необходимость изыскания новых нетрадиционных способов формообразования, разрезания, соединения и т.д.. к числу которых относятся ЭФ и ЭХ методы обработки, сопряжена как с ограниченными возможностями традиционного оборудования (например: механическая обработка твердых и вязких металлов, полупроводниковых материалов затруднена), так и с весьма жесткими требованиями к оборудованию, машинам, оснастке, работающими в условиях сверхвысоких давлений в сочетании с высокими и низкими температурами, больших удельных нагрузок и повышенной агрессивностью среды и др.

Кратко рассмотрим некоторые ЭФ методы обработки.

Электроэрозионная обработка основана на эффекте расплавления и испарения микропорций материала под тепловым воздействием импульсов электрической энергии, которая выделяется в канале электроискрового заряда между поверхностью обрабатываемой детали и электродом-инструментом, погруженным в жидкую непроводящую среду.

Благодаря высокой концентрации энергии в зоне разряда развиваются высокие температуры. Происходит плавление и испарение микропорций с поверхности электродов. В результате капли жидкого металла выбрасываются из зоны разряда.

Электроэрозионный способ позволяет обрабатывать токопроводящие материалы любой механической прочности, вязкости, хрупкости, получать детали сложной формы и осуществлять операции, невыполнимые другими методами.

Однако по сравнению с механической электроэрозионная обработка имеет ряд существенных недостатков: низкая производительность, высокий расход энергии, для получения высокой чистоты поверхности приходится затрачивать больше времени, чем, например, при абразивной обработке.

Основными разновидностями электроэрозионной обработки материалов является электроискровая, электроимпульсная, электроконтактная и плазменная.

Электроискровая обработка осуществляется с использованием искровых разрядов.

Электроимпульсная обработка проводится импульсами дугового разряда.

В ходе электроконтактной обработки инструмент снимает с заготовки материал, расплавленный при нагреве электрическим током, проходящим в месте контакта инструмента с деталью.

Плазменная обработка заключается в обработке материалов низкотемпературной плазмой, создаваемой плазмотронами (особенности плазменной технологии см. в разделе 3.6).

Четыре метода объединены в одну группу, т.к. электрическая эрозия – их главная отличительная особенность.

Дадим общую характеристику ЭХ методов обработки. ЭХ способ обработки основан на применении электролитов.

Электролитами называются вещества, растворы и расплавы, которых могут проводить электрический ток ионами, образующимися в результате электрической диссоциации (разложения). В электролитах ионы, как и молекулы движутся хаотично. Если к опущенным в электролит электродам приложить электрическое поле – возникает направленное движение ионов. Положительные ионы направляются к катоду, а отрицательные – к иону. На электродах ионы отдают свои заряды и, став обычными атомами или молекулами, выделяются на электродах вступая в химические реакции с металлом электрода.

Прохождение электрического тока через электролит сопровождается переносом массы вещества, что и используется в ЭХ процессах.

Явление выделения вещества на электродах называется электролизом. (см. подробнее часть 1 данного пособия).

В промышленности электролиз применяется в основном для анодного растворения металлов или их катодного осаждения из растворов и расплавов (медь, цинк, алюминий).

Электрохимическими способами могут осуществляться следующие операции:

- очистка поверхности металлов от оксидов, ржавчины;

- затачивание режущего инструмента;

- профилирование металлических заготовок. Изделие помещают внутрь катода. Анодное растворение происходит интенсивнее на участках, более близких к катоду;

- гравирование и маркирование. На металл наносят слой воска (изолирующего вещества). В местах, где металл обнажен, идет анодное растворение;

- изготовление изделий малой толщины путем анодного растворения;

- нанесение металлопокрытий.

Достоинства и преимущества ЭФ и ЭХ методов обработки:

- практическая независимость скорости и качества обработки от физико-механических свойств обрабатываемых материалов;

- отсутствие необходимости в специальных инструментах или абразивах более твердых, чем обрабатываемый материал;

- значительное сокращение расхода материалов (особенно важно при обработке: благородных металлов, алмазов, рубинов и т.д.). При этом отпадает необходимость в использовании абразивов, алмазов, твердых сплавов;

- высокая точность изготовления деталей;

- пригодность для ряда операций, не выполняемых механическими методами;

- возможность полной механизации и автоматизации процессов обработки, а также их встраивания в технологические линии;

- улучшение условий труда и сохранение окружающей среды.