Электрофизические и электрохимические методы обработки металлов

Электрофизические и электрохимические методы обработки успешно дополняют механическую обработку резанием. Они применяются при обработке очень прочных и очень вязких материалов; хрупких, тонкостенных нежестких деталей, а также пазов, отверстий, имеющих размеры в несколько микрон; при получении поверхностей деталей с малой шероховатостью, с очень малой толщиной дефектного поверхностного слоя и т.д. при электрофизических и электрохимических методах обработки механические нагрузки либо отсутствуют, либо настолько малы, что практически не влияют на погрешность точности обработки.

Эти методы позволяют не только изменять форму обрабатываемой поверхности заготовки, но и влиять на состояние поверхностного слоя. При этом износостойкость и коррозийная стойкость поверхностного слоя повышаются, увеличиваются прочность и другие эксплуатационные характеристики поверхности детали. Технология электрофизических и электрохимических методов обработки проста, что обеспечивает широкие возможности их автоматизации.

Элионная обработка – это размерная обработка конструкционных материалов, основанная на использовании сфокусированных лучей или потоков частиц. Они применяются в тех случаях, когда обработка заготовок традиционными методами резания затруднена или невозможна.

К методам элионной обработки относятся: лазерная, электронно-лучевая, плазменная, электроэрозионная.

Лазерная обработка основана на использовании мощного светового луча, сфокусированного в тонкий пучок с большой концентрацией энергии. Луч выделяет теплоту на поверхности обрабатываемой заготовки, материал заготовки плавится и испаряется. Источником лазерного луча является оптический квантовый генератор (ОКГ), работа которого основана на принципе стимулированного генерирования светового излучения. Рабочим элементом ОКГ является рубиновой стержень, состоящий из окиси алюминия, активированного 0,05% Сr.

Источником света для возбуждения атомов хрома служит импульсная лампа с температурой излучения около 4000 ⁰С. Свет лампы с помощью отражателя фокусируется на рубиновый стержень, в результате чего атомы хрома приходят в возбужденное состояние. Из этого состояния они могут возвратиться в нормальное, излучая фотоны. Вся запасенная в стержне рубина энергия высвобождается почти одновременно в миллионные доли секунды в виде луча диаметром около 0,01 мм.

Системой оптических линз фокусируется на поверхность обрабатываемой заготовки. Температура луча около 6000-8000 ⁰С. При обработке лазером обеспечивается съем металла со скоростью до 100 мм³/с. Эффективность процесса обработки не зависит от свойств обрабатываемого материала. Этим методом можно обрабатывать, например, отверстия диаметром от 10 до 0,5 мкм и глубиной до 0,5 мм в нержавеющей стали, вольфраме, алмазе и других труднообрабатываемых материалах. Лазерную обработку применяют для разрезания заготовок на части, вырезания заготовок из листового материала, прорезания пазов и т.д.

Электронно-лучевая обработка основана на использовании энергии сфокусированного электронного луча, получаемого в электронной пушке. Электронный луч образуется в результате эмиссии электронов с вольфрамового катода, установленного в вакуумной камере и питаемого от источника накала.

Электроны формируются в пучок и под действием электрического поля, создаваемого высокой разностью потенциалов между катодом и анодом, ускоряются в вертикальном направлении. Затем луч, пройдя через специальную фокусирующую систему, направляется к поверхности заготовки. Диаметр сфокусированного луча составляет несколько микрон. В зоне обработки температура достигает 6000 ^оС.

Достоинства электронно-лучевой обработки следующие:

· Возможность создания локальной концентрации высокой энергии (металл нагревается и испаряется только под лучом);

· Широкое регулирование и управление тепловыми процессами;

· Обработка труднодоступных мест заготовок.

Электронным лучом обрабатывают отверстия диаметром от 10мкм до 1 мм, разрезают заготовки, прорезают пазы, обрабатывают труднообрабатываемые металлы и сплавы.

Сущность плазменной размерной обработки состоит в том, что плазму направляют на обрабатываемую поверхность заготовки. Плазма представляет собой полностью ионизиро­ванный газ, имеющий температуру 10 000 — 30 000 °С. Полу­чают плазму в плазмотронах (плазменных головках) следую­щим образом: между вольфрамовым электродом и медным электродом, выполненным в виде трубы, возбуждают электри­ческую дугу, затем в трубу подают газ (аргон, азот, гелий, во­дород, кислотою или смесь газов (воздух)). Проходя по соплу, газ обжимает электрический разряд, ионизируется и выходит из головки в виде ярко светящейся струи — плазмы.

Плазменным методом производят строгание и точение заготовок, прошивают отверстия, отрезают часть заготовки. Об­рабатывать можно любые материалы.

Электроэрозионные методы обработки основаны на разрушении электродов из токопроводимых материалов при пропускании между ними импульсного электрического тока.

К электроэрозионным методам обработки относятся электроискровая и электроимпульсная. Впервые эти методы были предложены русскими учеными в 1943 г. При электроэрозионных методах обрабатываемая заготов­ка служит одним на электродов (анод), а инструмент — дру­гим электродом (катод).

Электрический разряд между двумя электродами происходит в газовой среде при заполнении межэлектродного промежутка диэлектрической жидкостью (керосином, минеральным маслом и др.). В жидкой среде электроэрозии происходит интенсивнее. При нали­чии определенной величины разности потенциалов, на электродах межэлектродное пространство ионизируется и становится токопроводящим.

Между электродами возникает импульсный дуговой илу искровой разряд. Время импульса составляет 10 ^-5 — 10 ^-8 сек. Мгновенная плотность тока в ка­нал/проводимости — 8 000 - 10 000 A/мм², в результате чего температура на поверхности обрабатываемой заготовки электрода достигает 10 000 - 12 000 °С.

При такой тёмпеpaтуре мгновенно оплавляется и испаряется элементарный объем металла, и на обрабатываемой поверхности образуется лука. Удаленный металл застывает в виде сферических гранул диаметром 0,01—0,005UM в диэлектрической жидкости, дующий импульс пробивает межэлектродный промежуток, где расстояние между электродами окажется наименьшей.

При непрерывном подведении к электродам импульсного тока процесс эрозии продолжается до тех пор, пока не будет удален весь металл, находящийся между электродами на расстоянии, при котором возможен электрический пробой при заданном напряжении импульса. Для продолжения про­цесса эрозии необходимо сблизить электроды до указанного расстояния. Для автоматического сближения электродов при­меняют следящие системы.

Электроэрозионные методы обработки широко применяют при изготовлении штампов, пресс-форм, фильер, режущего ин­струмента, сеток и др. Ими можно получать сквозные и глухие отверстия любой формы, выполнять плоское, круглое и внут­реннее шлифование, разрезать заготовки и т.д. При электроим­пульсной обработке съем металла в единицу временив 8—10 раз больше, чем при электроискровой. Точность размеров деталей и шероховатость поверхности зависят от режима обработки.

В основе электрохимических методов обработки лежит явление анодного растворения при электро­лизе. Обрабатываемая заготовка помещается в электролит,
включается в цепь постоянного тока и служит анодом. При прохождении электрического токи через электролит протекают химические реакции, превращающие поверхностный слой ме­талла в химическое соединение. Продукты электролиза перехо­дят в раствор.

Производительность электрохимической обра­ботки зависит от свойств Обрабатываемого металла, электроли­та и плотности тока.

При электрохимической размерной обработке инструмен­ту, служащему катодом, придается форма, обратная форме обрабатываемой поверхности. Через межэлектродный про­межуток, образуемый обрабатываемой заготовкой-анодом и инструментом-катодом, непрерывно под давлением подается струя электролита, которая растворяет образующиеся на за­готовке продукты анодного растворения и удаляет их из зоны обработки.

При этом одновременно обрабатывается поверх­ность заготовки, находящаяся под воздействием катода, что обеспечивает высокую производительность процесса. Участки заготовки, не требующие обработки, изолируются.

Достоинством данного метода является возможность обрабатывать тонкостенные детали из высокопрочных сплавов и других труднообрабатываемых материалов. Электрохимическая обработка применяется при отделочных операциях (электроалмазная обработка); при этом достигается высокое качество обработанной поверхности.

Анодно-механическая обработка основана на сочетании электротермических и электрохимических процессов и занимает промежуточное место между электроэрозионными и электрохимическими методами.

Суть метода состоит в том, что заготовку подключают к аноду а инструмент — к катоду. В качестве инструмента в зависимости от характера обработки применяют металличес­кие диски, цилиндры, ленты, проволоку. Обработку ведут в среде электролита (водный раствор жидкого натриевого стек­ла).

Заготовке и инструменту сообщают движение так же, как и при обычных методах механической обработки резани­ем (скорость резания и подачу), а в зону обработки через сопло подают электролит. При пропускании через электролит постоянного электрического тока, происходит процесс анодно­го растворения. При соприкосновении инструмента (катода) с микронеровностями обрабатываемой поверхности заготовки (анода) происходит процесс электроэрозии. Под действием проходящего через заготовку электрического тока металл последней размягчается. Продукты электроэрозии и анодного растворения удаляются из зоны обработки в результате отно­сительных движений инструмента и заготовки.

Анодно-механическим методом обрабатывают все токопроводящие материалы, высокопрочные и труднообрабатывае­мые металлы и сплавы, твердые сплавы, вязкие материалы. Сущность химических методов размерной обработки деталей состоит в травлену и их в крепких растворах кислот и щелочей. Перед травлением заготовки предвари­тельно тщательно очищают от окалины и масла.

Поверхности заготовок, не подлежащие обработке, покрывают химически стойкими защитными покрытиями (лаками, красками, эмуль­сиями, применяют гальванические покрытия, резиновые за­щитные покрытия). После этого заготовки опускают в ванну с раствором кислоты или щелочи — в зависимости от мате­риала, из которого они изготовлены. Незащищенные метал­лические поверхности травятся.

Для повышения интенсивности процесса травильный раствор подогревают до температуры 40 — 80 °С. По окончании травления заготовки промывают, нейтрализуют, повторно промывают в горячей содовой воде, сушат и снимают защитные покрытия.

Химическое травление применяют для обработки ребер жесткости деталей, получения/извилистых канавок и щелей, обработки труднодоступных для режущего инструмента по­верхностей и т.д.

Химико-механическая обработка применяется для раз­резания и шлифования пластинок из твердого сплава, при доводке твердосплавного инструмента. В качестве инструмен­та используют чугунные диски или пластины. Обработка про­исходит в ваннах; заполненных суспензией; состоящей из раствора серно-кислой меди и абразивного порошка. Заготов­ке и инструменту сообщаются относительные движения.

В результате обменных химических реакций кобальтовая связ­ка твердого сплава переходит в раствор в виде соли, а зерна карбидов титана и вольфрама удаляются инструментом и присутствующим в растворе абразивным порошком.