ТЕХНОЛОГІЧНІ ПРОЦЕСИ ЕЛЕКТРОФІЗИЧНОЇ ТА ЕЛЕКТРОХІМІЧНОЇ ОБРОБКИ
Питання теми
Класифікація і особливості електрофізичних і електрофізичних методів обробки.
Електроерозійна обробка металів
Електроіскрова обробка.
Електроімпульсна обробка.
Високочастотна електроерозійна обробка.
Анодно-механічна обробка.
Електрохімічна обробка металів. Особливості. Електроліти. Приклади.
Ультразвукова обробка
Плазмова обробка.
Лазерна обробка.
Електронно-променева обробка.
12.1. Класифікація і особливості електрофізичних та електрохімічних методів обробки
Під загальною назвою електрофізичні та електрохімічні методи обробки матеріалів об'єднані: електрохімічні, электро-хіміко- механічні (анодно-механічні), электроэрозійні, электрогідравлічні, електронно-променеві, плазменні, ультразвукові світлопроменеві і ряд інших методів (див. загальну класифікаційну схему), які відрізняються від механічної обробки різанням або тиском використання в ролі обробного інструмента електричної енергії або специфічних фізичних явищ, створюваних цією енергією.
Таблиця 12.1
Класифікація електрофізичних та електрохімічних методів обробки
№ п/п Методи обробки Точність обробки (квалітет) Шорсткість обробки , мкм
1 Електрофізичні Ерозійна Електроіскрова 10-6 25-0.1
Електроімпульсна 12-5 5-1.6
Електроконтактна 11-10 5-0.4
Анодно-механічна 10-6 1.6-0.025
Ультразвукова 9-6 1.6-0.025
Плазмова - -
Лазерна 11-10 2.5-0.32
Електронно-променева 10-9 3.2-0.4
2 Електрохімічні Розмірна 11-9 3.2-0.4
Полірування 9-6 0.4-0.02
Анодно-гідравлічна 10-8 12.5-0.8
3 Комбіновані Електоерозійнохімічна 10-7 3.2-0.4
Абразивно-електрохімічна 10-6 1.6-0.02
Методи так званої электротехнології характеризуються рядом особливостей, що вигідно відрізняють їх від інших методів обробки матеріалів.
1. Практична незалежність швидкості, якості і продуктивності обробки від фізико-механічних властивостей оброблюваних матеріалів. Можливість обробки матеріалів із будь-якими механічними властивостями без прикладання значних механічних зусиль.
Тому що знімання матеріалу при нових видах обробки ( за винятком ультразвукової) відбувається не шляхом механічного впливу, то цілком очевидна причина незалежності зазначених параметрів процесу від механічних характеристик оброблюваного матеріалу. Наприклад, при электроэрозійній обробці під дією джерела тепла з температурою біля 10 000°С будь-який метал або електропровідний сплав плавиться і випаровується. При електрохімічному процесі розчинення поверхні оброблюваної деталі також не залежить від її механічних характеристик.
Це не виходить, однак, що обробка електрофізичними й електрохімічними методами різних матеріалів відбувається однаково. Але на продуктивність цих методів впливають уже не механічні, а фізичні і хімічні властивості матеріалів, наприклад теплопровідність при электроэрозійній обробці або валентність при електрохімічній.
Можливість обробки важкооброблюваних матеріалів, що останнім часом зявились у промисловості - одне з найбільш важливих переваг електрофізичних і електрохімічних методів.
2. Відсутність необхідності в спеціальних інструментах або абразивах більш твердих, ніж оброблюваний матеріал.
При електрофізичних і електрохімічних методах тиск інструмента на оброблювану деталь практично відсутній або він дуже незначний. У більшості процесів обробки наявність зазора між електродом-інструментом і оброблюваною деталлю є обов'язковою умовою. І тільки в деяких операціях ультразвуковій обробці інструмент робить помітний тиск на оброблювану деталь. При променевих же методах обробки інструмент, у прямому понятті цього терміна, взагалі відсутній.
Новим методам властивий високий ступінь зосередження енергії в часі і просторі.Енергія при цих процесах концентрується на невеликій площі поверхні оброблюваної деталі, і щільність енергії може досягти дуже високих значень, обумовлених мільйонами ватів на квадратний сантиметр.
Імпульсний характер енергії, що діє протягом короткого проміжку часу, приводить до виділення великої потужності в робочій зоні. Тому на площі поверхні, вимірюється одиницями квадратних мікрон, за час, обумовлений мікросекундами, температура досягає десятків тисяч градусів, створюються прискорення, у декілька тисяч разів перевищуючі прискорення сили ваги, виникають миттєві тиски в сотні і тисячі атмосфер.
Ці особливості дають можливість виконати такі операції, як, наприклад, виготовлення трубопроводів гідросистем без задирок у місцях з'єднань, розрізування тонких труб із спеціальних сплавів, шліфування торцевої поверхні конструкцій із тонкої фольги й інших, що не можуть бути успішно виконані звичайними, механічними методами обробки через значне зусилля різання з боку ріжучого інструмента або шліфувального круга або через складність здійснення відповідної кінематичної побудови верстата.
3. Значне скорочення витрат матеріалів.
Особливо велике значення ця перевага нових методів має при обробці таких матеріалів, як германій, кремній, рубін, кварц, діамант і інші монокристали. Наприклад, при їхньому распилюванні утворюється дуже вузька щілина і більш ощадливий розкрій матеріалу, завдяки чому досягається значна економія дорогих матеріалів. З використанням нових методів також скорочується необхідність в абразивах, діамантах, твердих сплавах, інструментальних сталях і ін.
4. Висока точність виготовлення деталей навіть у тих випадках, коли механічна обробка неможлива або її важко виконати.
У сучасному машинобудуванні часто необхідна обробка деталей із дуже високою точністю. Такими є плунжерні пари, форсунки, розпилювачі паливної апаратури, магнітопроводи прецизійних електродвигунів, цанги малого діаметра. Необхідна точність обробки цих деталей знаходиться в межах 2-5 мкм. Досягнення такої точності механічною обробкою сполучено з великими туднощами, а використання електрофізичних і електрохімічних методів дозволяє успішно вирішити це завдання.
Виготовлення точних мініатюрних деталей неможливе або його важко виконати механічним шляхом це також одна з основних причин застосування электротехнологічних методів.
5. Придатність для виконання ряду операцій, не здійснених механічними методами. Відносна нескладність технології.
Одне зі специфічних переваг нових методів - можливість обробки відразу всієї оброблюваної поверхні шляхом одержання відбитка, що копіює форму інструмента.
Особливо доцільно використання цих методів, наприклад, при таких операціях, важко здійсненних механічним шляхом, як обробка отворів або порожнин у важкодоступних місцях або на великій глибині.
6. Можливість місцевої обробки виробів великих габаритів без спеціальних великих верстатів. Скорочення числа переходів при обробці виробів складних форм.
7. Можливість повної механізації й автоматизації.
Електрофізичні й електрохімічні методи завдяки своїм особливостям є дуже гнучкими, що дозволяють автоматизувати і механізувати технологічні процеси більш простими засобами, ніж при механічній обробці.
8. Висока продуктивність і економічна ефективність. Зменшення браку. Зниження трудомісткості обробки. Інтенсифікація процесів механічної обробки.
У деяких процесах механічної обробки в даний час отримані технологічні параметри, близькі до гранично можливого. Застосування в таких випадках у якості допоміжного електрофізичного або електрохімічного методу може істотно поліпшити параметри обробки. Такі, наприклад, точіння різанням, при накладенні ультразвука, анодно-механічна обробка грузлих металів із чистотою до 016…008, электроалмазное шліфування твердого сплаву й ін.
Приклади розмірних електротехнологічних процесів.
Шліфування валків, торців щільникових конструкцій. Чернове шліфування канавок і плоских складних фігур, бурових твердосплавних ножів і фрез. Виготовлення дрібних сит із важкооброблюваних матеріалів. Виготовлення щілин шириною 50-100 мкм, променевих фігурних фільєр - формувачів капронових ниток, канавок на головках бурових машин. Нарізування різьблення у важко оброблюваних деталях. Обробка глибоких отворів. Виготовлення діамантових волок для кабельної промисловості. Виготовлення хімічно стійких підшипників із термокорунда. Шліфування твердосплавних опорних ножів для бесцентрового шліфування. Виготовлення ущільнювачів із твердого сплаву. Виготовлення твердосплавних підшипників. Калібрування шліцевих кілець і зубчастих коліс. Зняття задирок із зубчастих коліс. Обробка криволінійних отворів. Виготовлення магнітних муфт із ферритів, шрифтів поліграфічних машин. Таврування і гравіювання деталей масового виробництва. Разрізка вольфрамових прутків на контакти, нікелевих труб, тонкостінних труб без задирок, високолегованих сталей у заготівельних цехах. Обчищення поковок від окалини. Обробка гребних гвинтів. Зачищення траків після лиття. Галтовка дрібних приладових деталей. Опиловка куль із легованих сталей. Одержання порошків із металів
Виготовлення отворів у шкалах із скла, фігурних деталей із скла, кварцових резонаторів і інших радіодеталей із п¢єзокераміки. Трепанація напівпровідникових шайб. Розрізка монокристалів, заготовок із напівпровідників. Різання й обробка діамантів. Розрізка заготовок із чистих металів і спеціальних сплавів. Розрізка тонкостінних труб без задирок. Нарізка радіаторів. Виготовлення підшипників із рубіна. Шліфування мініатюрних підшипників, кераміки, напівпровідників, ферритів. Виготовлення ліній затримки, мідних і вольфрамових сіток для електровакуумних приладів, резонаторних камер магнетронів, дрібних отворів (10-50 мкм), сит, прецизійних кондукторів, щілин шириною 20-100 мкм.. Калібрування ферритовых хвилеводів. Виготовлення мініатюрних ферритових кілець для лічильно-вирішальних машин. Вирізка магнітних кілець діаметром від 1 до 4 мм. Кругле точіння ферритових деталей. Свердління отворів у магнієвих сплавах. Розточування отворів у магнітних якорях електродвигунів. Виготовлення монолітних роторів електродвигунів, прецизійних сельсинів. Зняття грата з роторів електродвигунів. Калібрування пазів у роторах електродвигунів. Розрізка плат друкарських схем із гетинакса, металевих фігурних мембран високої точності. Одержання тонких голок і гострих лез. Полірування алюмінієвих хвилеводів, металевих дзеркал. Виготовлення ювелірних виробів із каменю, камертонів із спеціальних сплавів.
Виготовлення твердосплавних штампів, прес-форм і форм для лиття. Розточування твердосплавних фільєр. Шліфування твердосплавних дискових ножниць, різців, калібрів, центрів. Виготовлення твердосплавних зубних бурів, разміточних олівців, плит для накатки монет. Профілювання фасонних твердосплавних різців, фрез. Заточка твердосплавних фрез і різців. Обробка “розвалу” у штампах. Виготовлення сталевих кувальних штампів, прес-форм. Координатне розточування отворів у загартованих сталях. Добування зламаних свердл і метчиків. Виготовлення накатних роликів із твердого сплаву, різців із термокорунда
12.2. ЕЛЕКТРОЕРОЗІЙНА ОБРОБКА МЕТАЛІВ
Електроерозійний метод заснований на фізичному явищі, при якому один або обидва електроди під дією електричного імпульсного розряду , що відбувається між ними , руйнуються і на їхній поверхні утворяться лунки (рис. 12.1). Причина появи лунок - локальний нагрів електродів до дуже високої температури. При повторенні імпульсів, що проходять у різних крапках інструмента, останній впроваджується в заготовку, створюючи заглиблення, що є відбитком поверхні і контуру інструмента.
Електричний розряд – висококонцентрований в просторі і в часі імпульс електричної енергії, що перетворюється між електродом-інструментом і електродом-заготовкою в теплову. При цьому в коналі розряду відбувається нагрів, розплавлення і випаровування матеріалу з локальних поверхонь електрродів, іонізація и розклад робочої рідини.
Основні різновиди електроерозійної обробки: електроіскрова електроімпульсна і високочастотна електроіскрова.
Інтенсивність процесу ерозії визначається в основному тепло фізичними параметрами матеріалів електродів (температурою, теплотою плавлення і випару, теплоємністю і теплопровідністю), електричними параметрами імпульсів струму (енергією, тривалістю, амплітудою, частотою проходження) і властивостями міжелектродного середовища (електропровідністю, плинністю, насиченістю газами і парами, в'язкістю).
Процес ерозії значно інтенсифікується в рідкому середовищі і має, як правило, яскраво відображений полярний ефект, внаслідок якого один електрод (інструмент) зношується менше іншого (деталі). Метал , що викидається з ерозійної лунки , застигає в рідкому середовищі у виді дрібнодисперсованих гранул.
12.2.1. ЕЛЕКТРОІСКРОВА ОБРОБКА МЕТАЛІВ
Сутність методу. При зближенні двох електродів і підключенні до них напруги, достатнього для пробою міжелектродного проміжку , що утворився, виникає електричний розряд у вигляді вузького провідного каналу (стовпа) із температурою, яка вимірюється тисячами і десятками тисяч градусів, На підстави цього каналу спостерігається руйнування (оплавлення, випар, виривання, т.п.) матеріалу електродів.При зануренні електродів у яку-небудь діелектричну рідину інтенсивність розряду і відповідно ступінь ерозії електродів різко зростають. У залежності від тривалості розряду змінюється глибина поширення тепла в об'ємі електродів і характер їх руйнування.
При більш тривалих розрядах (10-3 сек. і вище), а особливо при беззупинному (“дуговому”) розряді, оброблюваний матеріал встигає розігріватися далеко за межі оброблюваної ділянки.
Якщо поверхня одного з електродів Е1 менше іншого Е2, то під дією численних беззупинно повторюваних іскрових розрядів відбувається руйнування останнього в межах ділянки, точно меншого електрода, що відтворює форму
Якщо розряд відноситься до типу дугового, точного відтворення форми одного електрода на іншому не відбудеться. Нагрівання й оплавлення поверхні буде загальним.
Виникнення, розвиток і протікання імпульсного розряду між електродами відбувається за дуже короткий проміжок часу. Розряд виникає в результаті іонізації проміжку напругою, підведеною до електродів. Під впливом електричного поля на ділянках найбільш інтенсивної іонізації порушується електрична міцність середовища і відбувається електричний пробій проміжку між електродами. По виниклому каналу провідності ланцюг замикається.
Канал розряду звичайно утвориться між двома виступами на електродах, що лежать на найкоротшій, один від іншого, відстані. У процесі розряду канал заповнений сильно іонізованими парами металу, і в ньому виникають значні ударні тиски. Висока температура плавить і випаровує метал у місцях додатку розряду. Краплі розплавленого металу в результаті динамічних процесів, що розвиваються в зоні розряду, викидаються за межі електродів і застигають у вигляді дрібних часток сферичної форми, що утворять “залишки” при обробці. Після розряду протягом деякого часу продовжується викид металу і відбувається “деіонізація” проміжку, тобто його електрична міцність відновлюється.
Наступний розряд відбувається на новому місці поверхні електродів, уже між двома іншими крапками, що є в даний момент часу найближчими. Так відбувається до тих пір, поки розряди не знімуть із поверхні електродів усі крапки, що лежать на пробивній відстані. Коли відстань між електродами через знімання металу збільшиться настільки, що прикладена напруга опиниться недостатньою для пробою міжелектродного проміжку, процес автоматично припиниться. Для поновлення і впродовження процесу знімання металу електроди повинні бути наближені.
Метали обробляють іскровими імпульсами при порівняно невисоких напругах, звичайно не перевищуючих 250 в. При цих напругах відстань між електродами невелика.
Особливості електроіскрової обробки.
Широкий діапазон режимів, що охоплює обробку від чорнової (із продуктивністю порядку 100-500 ммз/мuн при чистоті оброблюваної поверхні 2—3-го класу) до оздоблювальної(із продуктивністю 0,1-0,01 мм/мин при чистоті оброблюваної поверхні 7—9-го класу). Однак сполучення широкого діапазону режимів в одному верстаті здійснюється рідко, і спостерігається досить чітка спеціалізація устаткування по режимах обробки.
Порівняно низька продуктивність обробки, особливо на чистових режимах.
Велике зношування електродів-інструментів, відносний розмір яких коливається в залежності від режимів і умов обробки в межах 50-1000% від об'єму оброблюваного матеріалу.
Застосування переважно релаксаційних схем генерування імпульсів тривалістю 10-200 мкм/сек при частоті 2-5 кгц.
Використання прямої полярності (електрод-інструмент підключається до негативного полюса джерела струму).
Утворення на оброблюваній поверхні тонкого дефектного шару (0,2-0,5 мм на чорнових і 0,02-0,05 мм на чистових режимах).
Можливість механізації й автоматизації процесу. Завдяки можливості обробляти деталі з відносно високою чистотою і точністю, хоча і при порівняно малій продуктивності, електроіскровий метод застосовують у машинобудуванні й інструментальному виробництві при обробці деталей невеликих розмірів. При цьому якість поверхні така, що звичайно потрібно абразивне доведення.
Приклади використання електроіскрової обробки:
виготовлення і відновлення матриць твердосплавних, вирубних, карбувальних і гнучких штампів із загартованої сталі і твердих сплавів;
виготовлення сит шляхом одночасного прошивання заготовки набором тонких електродів;
добування зламаного інструмента або кріплення (болтів, шпильок) із заготовок або деталей;
плоске, кругле шліфування і розточування профільними електродами-різцями;
обробка отворів малого діаметра.
.png)