ГЛАВА 8.

ЭЛЕКТРОХИМИЧЕСКИЕ И ДРУГИЕ СПЕЦИАЛЬНЫЕ
МЕТОДЫ РАЗМЕРНОЙ ОБРАБОТКИ МЕТАЛЛОВ[17]

§8.1. Электроимпульсная обработка металлов (ЭИМ)

Такая обработка основана на использовании теплового эффекта от электрических импульсов различной длительности.

В случае применения импульсов длительностью t= 0,01…10 мкс способ называется «электроискровой обработкой». Здесь происходит расплавление и испарение микропорций металла под действием электроимпульсов в канале разряда между поверхностью обрабатываемой детали и инструментом, погруженным в жидкую (неэлектропроводную среду, например керосин, минеральное масло) (рис.8.1). Каждый импульс производит выплавление и испарение, а в промежутки между ними продукты распада выбрасываются из зоны обработки.

Анодом здесь является заготовка. I= 0,5- 120A; U= 40- 180V; I_мгн= (8…10)*10³ А/мм².

Достоинство метода:

1. Нет необходимости применения сверхтвердых инструментов.

2. Режимы обработки не зависят от механических свойств материалов.

3. Легко осуществима обработка криволинейных поверхностей.

Рис. 8.1. Электроискровая обработка деталей:

а) прошивка цилиндрического отверстия; б) изготовление ионного фильтра;

в) прошивка криволинейного отверстия (1- электрод; 2- деталь; 3- отверстие).

Недостатки:

а) невозможно осуществить обработку токонепроводящих материалов;

б) производительность значительно ниже, чем при механической обработке, а потребление энергии выше;

в) имеется необходимость введения рабочей жидкости в зону обработки.

Необходимое оборудование: генератор импульсов электро-эррозионных(искровых) станков; автоматические регуляторы межэлектродного промежутка; электроды- инструменты; приспособления .

Промышленностью выпускаются следующие электроэрозионные станки: копировально-прошивочные; шлифовальные; отрезные.

Первые являются наиболее распространенными. Их выпускают в обычном исполнении, повышенной точности, прецессионные.

Вторые применяются для удаления литейных припусков и облоя, а также для прецессионных работ.

Отрезные станки используются при раскрое профильного проката и пруткового материала.

Станки для вырезания по контуру относятся к прецессионным. Электроинструментом здесь является перемещающаяся проволока, перематывающаяся с одной бобины на другую.

При работе возможны :

1) поражения электротоком; 2) ожог из-за возгорания рабочей жидкости; 3) отравление газообразными продуктами разложения рабочей жидкости и продуктами эрозии; 4) травмы от подвижных механических узлов и деталей.

При использовании электрических импульсов длительностью t= 5*10²- 10⁴ мкс происходит дуговой разряд (U= 18- 40B) . Значительная мощность импульсов обеспечивает высокую производительность. Такую обработку применяют для прошивки полостей и отверстий в заготовках штампов, прессформ, кокилей, в деталях из твердых сплавов.

В процессе обработки здесь сильно изнашивается инструмент, Число обрабатываемых деталей одним инструментом, можно учесть формулой

Z=d /(aH),

где d - допуск; a - относительный износ; H - глубина профиля обработки.

Инструмент необходимо периодически править.

Обычно процесс обработки осуществляют на станках с программным управлением.

§ 8.2. Электроконтактная обработка. (ЭКО)

ЭКО основана на локальном нагреве заготовки в месте контакта с электродом- инструментом и удалении размягченного или расплавленного металла механическим способом относительным движением заготовки и инструмента (рис.8.2).

Источником энергии являются импульсные дуговые разряды (см. предыдущее). Чтобы инструмент не плавился, его быстро вращают или принудительно охлаждают.

Рис. 8.2. Электроконтактная

обработка:

1- электрод; 2- заготовка; 3- сопло.

ЭКО применяется для обработки крупных деталей из черных и цветных сплавов. Этот способ используют при очистке отливок от заливов, отрезке литниковых систем и прибылей, зачистке проката из специальных сплавов.

ЭКО дает низкую точность и высокую производительность (примерно на 2 порядка выше, чем при механической обработке).

§ 8.3. Плазменная обработка (ПО)

Этот способ основан на воздействии плазмы на заготовку, где происходят изменения размеров, химсостава, структуры. Здесь плазму (полностью ионизированный газ) с температурой Т=10⁴...5*10⁴°С направляют на обрабатываемую поверхность заготовки. Такой метод применяют для :

а) высокотемпературного нагрева; б) микроплавки; в) плазменно- механической обработки; г) резки; д) сварки; микросварки; микрорезке; е) нанесения покрытий.

При ПО между электродом и обрабатываемым участком поддерживается электрическая дуга (рис. 8.3), которая сжимается газом, воздухом или азотом (на рис.8.3 показано стрелками и буквами Г, В) с давлением- до 1,4 МПа. Вторичный поток газа формирует плазму и очищает срез от расплавленного металла. Скорость движения газа на выходе (3…4)*100 м/сек.

Рис. 8. 3.

Метод плазменной обработки.

В таблице 8.1 приведены некоторые параметры процесса.

Табл. 8-1

Точность резки составляет ±0,08 мм при толщине < 25 мм.

Зона теплового воздействия 0,7...5 мм.

С помощью плазменной обработки можно получать детали непосредственно из плазмы. Здесь в камеру головки подается порошко-образный конструкционный материал при одновременной подаче инертного газа с высоким давлением. Под действием дугового разряда конструкционный материал плавится и переходит в состояние плазмы. Ее струя сжимается плазмообразующим газом, выходя из головки, фокусируется электромагнитной линзой и направляется на экран. Луч, как в телевизоре, перемещается по экрану. Изделия получаются наращиванием микрочастиц в определенных местах экрана. Так происходит нанесение покрытий и другие работы.

Для концентрации магнитного поля вблизи оптической оси линзы применяют соленоиды, окруженные ферромагнитными оболочками. (Электромагнитная линза - короткая цилиндрическая катушка с большим числом витков проволоки, образующих винтовую линию. Она располага-ется коаксиально пучку частиц).

Плазменную обработку применяют также для получения металлических порошков в порошковой металлургии.

§ 8.4. Электронно-лучевая обработка (ЭЛО)

Основана на воздействии на материал сфокусированного и ускоренного потока электронов, кинетическая энергия которых совершает работу по нагреву, плавлению и испарению материала. В установках с ЭЛО применяют ЧПУ. Метод используется для обработки отверстий диаметром 0,01...1 мм, прорезания пазов, изготовления сеток из фольги и т.д.

Установка работает в импульсном режиме t= 10^-6... 10^-4 с. Интервал между импульсами необходим для испарения металла. При этом теплота не успевает распространиться на всю заготовку.

ЭЛО можно применять для любых материалов. Производительность мала: Q_G= 20 мм³/ мин - при черновых работах; Q_G= 1 мм³/ мин- на чистовых работах.

При ЭЛО необходимо обеспечивать защиту от рентгеновского излучения, применять глубокий вакуум.

§ 8.5. Лазерная обработка (ЛО)

Лазер разработан в 1950...1964 гг. Большой вклад в разработку внесли российские ученые нобилевскиее лауреаты Басов, Прохоров, а также американец Таун.

Суть процесса заключается в том, что если фотон попадает на вещество, то его энергия может быть либо поглощена, либо произойдет ее испускание.

В случае поглощения фотона его энергия возбуждает атом вещества. Через некоторое время атом может самопроизвольно (спонтанно) излучить эту энергию. Если же атом возбужден, а на него попадает фотон с энергией, равной энергии его возбуждения, то испускаются уже два фотона.

Физикам удалось создать такие условия, что свет может многократно проходить в специальном веществе (кристалле), выделяя при этом дополнительные фотоны, т.е. усиливая выходную мощность. Разработаны специальные методы накачки лазеров, включая даже использование атомной бомбы.

Рабочий диапазон длин световых волн l= 0,3…300 мкм, плотность мощности N= 10¹² Вт/ см².

С помощью лазера выполняют: резку, закалку, наплавку, легирование, сварку, размерную обработку деталей.

При механической обработки используются твердотельные оптические квантовые генераторы (ОКГ), рабочим элементом у которых является рубиновый стержень (окись Al, активированного 0,05% Cr). ОКГ работает в импульсном режиме, генерируя импульсы когерентного монохроматического красного цвета [29].

Во время включения пускового устройства ОКГ разряжается батарея конденсаторов и вспыхивает импульсная лампа. Ее свет фокусируется отражателями на рубиновом стержне. Из-за этого атомы хрома переходят в возбужденное состояние. Возвращаясь в нормальное состояние, они излучают фотоны с длиной волны 0,69мкм. Последние, взаимодействуя с возбужденными атомами, вызывают лавинообразные потоки фотонов в разных направлениях. Зеркальные поверхности рубинового стержня приводят к многократному отражению и усиливанию колебаний вдоль оси стержня. Через 0,5 мкс атомная система в стержне становится неустойчивой и вся запасенная энергия резко освобождается, т.е. кристалл испускает ослепительный яркокрасный луч света.

На рис.8.4 показана схема инструмента для обработки деталей и форма отверстия после лазерной обработки.

Рис.8.4 Режущая головка для лазерной резки (а) и форма отверстия после лазерной обработки:

1- линза;

2- форсунка;

3- деталь.

Расходимость луча не более 0,1°. Система оптических линз фокусирует луч на поверхности детали. Энергия импульса Е= 20…100 Дж выделяется в миллионные доли секунды. Диаметр луча 0,01 мм, а в фокусе диаметр составляет несколько мм. Из-за этого материал заготовки в точке мгновенно испаряется.

Для технологических целей применяют и газовые лазеры, работающие как в непрерывном, так и импульсном режимах.

Основные характеристики лазерного излучения: мощность (Вт), длина волны (мкм), длительность импульса (мкс), форма импульса; расходимость пучка.

В процессе ударного сверления импульс света вызывает плавление и частичное испарение металла. Этот пар выбрасывает расплавленный материал. Если не удается пробить отверстие одним импульсом, то применяют множественные импульсы. Диаметры отверстий до 1,3 мм. Отверстия могут делать трепанирующим методом. Тогда диаметр может составлять десятки милиметров. Ширина реза одним лучом 0,3…1 мм. Толщина разрезаемого материала до 10 мм.

§ 8.6. Электрохимическая обработка (ЭХО)

Этот способ основан на электрохимическом растворении металла заготовки при высокой плотности электротока и переноса его на электрод через токопроводящий раствор. Выполняются следующие операции:

отрезка, копирование, точение, прошивка, фрезерование, маркирование, полировка, калибровка, удаление заусенцев.

Под действием электротока в поверхности заготовки происходят химические реакции, а поверхностный слой превращается в хим. соединения, переходящие в раствор. Они могут удаляться также механическим путем. Производительность процессов ЭХО зависит от электрохимических свойств электролита.

ЭХО в основном применяется для сложных поверхностей в труднообрабатываемых, например, высокотемпературных, материалах. При ЭХО в таких случаях производительность гораздо выше, чем при механической обработке. Электролит здесь создает среду, где происходит электролиз, удаляет тепло от прохождения сильного тока. Электролитом является раствор поваренной соли, растворы других солей. Ток должен быть высокоамперным и низковольтным, под действием которого растворяется металл на аноде.

Электросопротивление минимально в месте наибольшего сближения инструмента и детали. Поэтому здесь ток максимален и металл растворяется наиболее интенсивно.

Быстродвижущийся электролит удаляет растворенный материал до того, как он начнет осаждаться на катоде. Поэтому в процессе практически нет износа инструмента.

Поскольку при ЭХО отсутствует термонагрев обрабатываемой поверхности и нет остаточных напряжений, то этот метод используется при обработке сильно напряженных или чувствительных к усталостным напряжениям изделий. Здесь чем больше скорость подачи, тем меньше зазор между инструментом и деталью. Увеличение напряжения (U= 5…20 В) ведет к росту зазора между деталью и инструментом и уменьшает точность обработки.

На рис. 8.5 приведены примеры электрохимической размерной обработки.

Рис. 8. 5 Схемы электрохимической обработки:

а) обработка турбинной лопатки; б) электрохимическое профильное

фрезерование (шлифование).

Инструмент в ЭХО изготавливают из латуни, меди, нержавеющей стали, титана.

При изготовлении вертикального отверстия из-за токов, текущих по боковым образующим инструмента поверхность отверстия будет нецилиндрической. Устраняют такой дефект изоляцией боковых поверхностей инструмента.