Контрольні питання:

1. Що називається шліфуванням?

2. Що являє собою абразивний інструмент?

3. В чому особливість процесу різання абразивним інструментом?

4. Чим визначається твердість абразивного круга?

5. Абразивні матеріали для виготовлення шліфувальних кругів.

6. Як впливає зернистість абразивного круга на параметри шліфування?

7. Які рухи розрізняють при шліфуванні?

8. Які елементи визначають режим різання при шліфуванні?

9. Перелічіть типи поверхонь, які обробляють на плоскошліфувальних верстатах.

ЛАБОРАТОРНА РОБОТА № 7

Фізико-хімічні методи оброблення матеріалів Мета роботи:

Ознайомитися з класифікацією фізико-хімічних методів обробки, їх технологічними можливостями, перевагами та недоліками, особливостями використання, принципами роботи верстатів для фізико-хімічних методів обробки, навчитися розраховувати технологічні режими при електрохімічній обробці і визначати основний (технологічний) час при цьому.

Короткі теоретичні відомості

В техніці часто виникають проблеми, пов’язані з обробкою нових матеріалів, деталей або поверхонь, форму і стан поверхневого шару яких важко або неможливо отримати відомими механічними методами. Фізико-хімічні методи обробки успішно доповнюють механічну обробку різанням, а в окремих випадках мають переваги перед ними, оскільки оброблена поверхня не зміцнюється, а дефектний шар незначний. Підвищується зношуваність, корозійна стійкість, міцність і інші експлуатаційні характеристики поверхонь деталей.

В залежності від використовуваних фізико-хімічних процесів ці методи обробки можна розділити на чотири групи: електроерозійні, електрохімічні, ультразвукові й променеві.

Електроерозійні методи обробки ґрунтуються на явищі ерозії (руйнування) електродів із струмопровідних матеріалів при пропусканні між ними імпульсного електричного струму, який перетворюється в теплову енергію. Електроерозійні методи поділяють на електроіскрову, електроімпульсну, електроконтактну і анодно-механічну обробку.

Електроіскрова обробка ґрунтується на використанні імпульсного іскрового розряду між двома електродами, один із яких є оброблюваною заготовкою (анод), а інший – інструментом (катод). Принципова схема електроіскрового верстату з генератором імпульсів RC приведена на рис. 13.1. Конденсатор С, ввімкнутий у зарядний контур, заряджується через опір R від джерела постійного струму напругою 100 – 200 В. Коли напруга на електродах 1 і 3, які ввімкнуті паралельно до конденсатора і утворюють розрядний контур, досягає пробійного значення, утворюється канал суцільної провідності, через який відбувається іскровий розряд енергії, накопиченої конденсатором. Тривалість імпульсу становить 20 – 200 мкс. Заготовки обробляють у ваннах, заповнених діелектричною рідиною: гасом або рідкими мінеральними маслами. Рідина не допускає нагріву електродів (інструменту й заготовки), охолоджує продукти руйнування, зменшує величину бокових розрядів між інструментом і заготовкою, підвищуючи точність обробки.

Рис.7.1 Схема електроконтактної обробки 1- електрод-інструмент; 2 - ванна; 3 – заготовка-електрод; 4 - діелектрична рідина; 5 - ізолятор.	Рис. 7.2 Схема електроімпульсної обробки поз. 1 ...5 - див. рис. 7.1; 6 – електродвигун; 7 - імпульсний генератор постійного струму.

Електроіскровим методом доцільно обробляти тверді сплави, важкооброблювані метали й сплави (тантал, вольфрам, молібден). Недоліком методу є низька продуктивність формозміни і швидке руйнування інструменту – електрода.

Електроімпульсна обробка (рис. 7.2) ґрунтується на тому, що полярний ефект при імпульсах малої і середньої тривалості веде до підвищеної ерозії аноду, що використовується при електроіскровій обробці. При імпульсах більшої тривалості (дуговий розряд) значно швидше руйнується катод. Тому при електроімпульсній обробці використовують зворотну полярність. Тривалість імпульсів у залежності від типу генератора становий 500 – 10000 мкс. При цьому інструменти-електроди зношуються значно менше, ніж при електроіскровій обробці. Більша потужність імпульсів забезпечує високу продуктивність процесу (в 8 – 10 разів більшу в порівнянні з електроіскровою обробкою). Метод найбільш доцільно використовувати для попередньої обробки штампів, турбінних лопаток, фасонних отворів в деталях з твердих, нержавіючих і жароміцних сплавах.

Анодно-механічна обробка (рис. 7.3) ґрунтується на одночасній дії електромеханічного і електроіскрового процесів, які проходять в середовищі електроліту - водного розчину рідкого скла. При пропусканні через ванну постійного струму на поверхні заготовки - анода утворюються плівки продуктів розчинення металу, які механічно видаляються інструментом (катодом). Оскільки вершини шорсткостей на оброблюваній поверхні анода відділені від катода невеликими проміжками, через них проходить короткочасний дуговий розряд. При цьому мікроскопічна ділянка поверхні деталі оплавляється і розплавлені частинки також видаляються рухомим анодом, тобто проходять електроерозійні процеси. Заготовці або інструменту надається рух подачі.

Рис. 7.3. Схема анодно-механічного відрізання.	Рис. 7.4. Схема електроконтактної обробки.

Цей метод ефективно використовується при відрізанні заготовок із важкооброблюваних високоміцних сплавів. На рис. 13.3 приведена схема анодно-механічного відрізання. Інструмент - катод 2, яким служить диск із м’якої сталі, обертається з великою швидкістю, доторкаючись до заготовки - анода 1. В зону контакту по трубі 3 подається рідке скло. Диск і заготовка підключаються до генератора постійного струму. Процес проводять на жорстких електричних режимах, тому поряд з анодним розчиненням і механічною взаємодією суттєву роль грають електротермічні процеси.

Електроконтактна обробка ґрунтується на електромеханічному руйнуванні металу під дією електродугових розрядів рухомим інструментом. Зняття металу із заготовки 1 (рис. 7.4) здійснюється в повітряному середовищі обертовим диском - електродом 2, який служить робочим інструментом. Диск і заготовка з’єднані із джерелом живлення – понижуючим трансформатором 3. При обертанні диска, до якого заготовка притискається під тиском 2х10⁴ Па – 5х10⁴ Па, проходить періодичне розмикання контактів, виникають електродугові розряди, під дією яких і руйнується матеріал заготовки. Для зменшення нагріву інструменту (електрода) його обертають зі швидкістю понад 30 м/с, при якій тривалість контакту ділянки диска із заготовкою надзвичайно мала. Недоліком процесу є низька розмірна точність обробки і якість обробленої поверхні. В поверхневих шарах проходять значні фазові зміни, можуть виникнути тріщини й інші дефекти. Тому електроконтактна обробка використовується, в основному, для виконання грубих і невідповідальних операцій, наприклад, зачистки виливок і штамповок із важкооброблюваних сплавів.

Електрохімічні методи обробки ґрунтуються на явищі анодного розчинення при електролізі. При проходженні постійного електричного струму через електроліт на поверхні заготовки, ввімкнутої в електричне коло (анод), проходить хімічна реакція і поверхневий шар металу перетворюється в хімічну сполуку. Продукти електролізу переходять у розчин або видаляються механічним шляхом.

Продуктивність електрохімічної обробки визначається за законом Фарадея і залежить від електрохімічних властивостей електроліту, оброблюваного матеріалу і густини струму.

G=kI, (7.1)

де G – кількість речовини, розчиненої під дією струму, г; k – масовий електрохімічний еквівалент оброблюваного матеріалу, г/(А*год.);  - час обробки, год.

При електрохімічному поліруванні оброблювану заготовку 2 (рис. 7.5) в ванні 1 з електролітом 4 вмикають до аноду. Катодом служить пластина 3 із свинцю, міді, сталі й ін. При подачі напруги починається процес розчинення матеріалу заготовки-анода в основному на виступах мікронерівностей 5 поверхні внаслідок вищої густини струму на їх вершинах. Упадини ж між мікровиступами заповнюються продуктами розчинення 6, які мають понижену провідність. В результаті мікронерівності згладжуються й оброблювана поверхня набирає металевий блиск. Електрополірування дозволяє одночасно обробляти партію заготовок по всій їх поверхні перед гальванічним покриттям, очищувати і декоративно оздоблювати листи.

Рис. 7.5. Схема електрохімічного полірування	Рис. 7.6 Схема електрохімічної розмірної обробки

Електрохімічна розмірна обробка проводиться при прокачуванні через зазор між електродами 1 (рис. 13.6) струменя електроліту, який постійно вимиває продукти розчинення аноду-заготовки 2. При цьому способові одночасно обробляється вся поверхня заготовки, що забезпечує порівняно високу продуктивність процесу. Найчастіше використовують нейтральні електроліти з розчинів солей NaCl, NaNO₃, Na₂SO₄. Цим методом обробляють заготовки з високоміцних сплавів, а також нежорсткі тонкостінні деталі, досягаючи при цьому високої якості обробленої поверхні.

Суть хімічної обробки полягає в цілеспрямованому руйнуванні металів і сплавів витравлюванням їх у міцних розчинах кислот і лугів. Поверхні, які не підлягають обробці, захищають хімічно стійкими покриттями (лаки, фарби, емульсії). Для забезпечення постійної швидкості травлення концентрацію розчину підтримують незмінною, а для підвищення інтенсивності процесу – нагрівають до температури 40–80⁰С. Після обробки заготовки промивають, нейтралізують, ще раз промивають, сушать, знімають захисні покриття. Хімічним травленням обробляють місцеві потоншення на нежорстких заготовках, хвилясті канавки і щілини, друковані плати в радіотехніці й електроніці.

Ультразвуковою називають обробку, при якій оброблювана зона знаходиться під дією пружних механічних коливань з частотами понад 16–20 кГц (ультразвуковими).

Принципова схема ультразвукової установки показана на рис. 7.7. В ванну 1, заповнену абразивною суспензією 2, встановлюють заготовку 3. До заготовки підводять інструмент-пуансон 4, закріплений на концентраторі 5. Концентратор закріплений в магнітнострикційному сердечнику 7, встановленому в кожухові 6, через який пропускають воду для охолодження сердечника. Коливання  сердечника збуджують генератор 8 ультразвукової частоти і джерело постійного струму 9.

А бразивну суспензію прокачують через ванну 1 помпою 11, відкачуючи цю суспензію з резервуара 12 і подаючи її по патрубку 10 знову у ванну. Це виключає осідання абразивного порошку на дні ванни.

На заготовку діють удари плаваючих у рідині (воді, маслі) зерен абразиву, які отримують великі швидкості від вібратора. Ці зерна коливаються з ультразвуковою частотою. Рідина під тиском ультразвукових коливань внаслідок явища кавітації руйнує метал, на який вона попадає. Це руйнування підсилюється дією поміщеного в рідину абразиву, зерна якого проникають в зазор між торцем інструменту й деталлю і відділяють мікроскопічні частини від матеріалу заготовки. Отримані за допомогою ультразвукового генератора електричні коливання магнітострикційним вібратором перетворюються в механічні.

Магнітострикційний ефект полягає у властивості феромагнітних матеріалів змінювати розмір при зміні діючого на них магнітного поля.

Ультразвуковою обробкою досягається висока якість обробленої поверхні. Можлива обробка не лише електропровідних матеріалів, але й діелектриків. Використовується для обробки твердих сплавів, скла, кварцу, германію, кремнію, рубіну, алмазу. Можлива обробка наскрізних і глухих отворів будь-якої форми поперечного перерізу, фасонних порожнин, розрізання заготовок на частини, профілювання зовнішніх поверхонь, прошивання отворів із криволінійними осями, гравірування, нарізання різьб і т.д.

Точність розмірів і шорсткість поверхонь, оброблених ультразвуковим методом, залежить від зернистості використовуваних абразивних матеріалів і відповідають точності і шорсткості поверхонь, оброблених шліфуванням або поліруванням.

Серед променевих методів обробки найширше використання знаходить лазерна обробка. Метод ґрунтується на тепловій дії променя високої енергії на поверхню оброблюваної заготовки. Джерелом світлового випромінювання є оптичний квантовий генератор (ОКГ). Енергія світлового імпульсу, як правило, не велика і становить 20 – 100 Дж. Однак ця енергія виділяється в міліонні частинки секунди і зосереджується в промені діаметром близько 0,01 мм. В фокусі діаметр світлового променя становить всього декілька мікрометрів. Це забезпечує температуру 6000…8000 ⁰С. Внаслідок цього поверхневий шар матеріалу заготовки в фокусі променя миттєво нагрівається, розтоплюється і випаровується.

Лазерну обробку використовують для прошивання наскрізних і глухих отворів, розрізання заготовок на частини, вирізання заготовок із листового матеріалу, прорізання пазів і т.д.

Таким чином можна обробляти будь-які матеріали. Наприклад, отвір діаметром 0,5 мм в алмазі отримують за долі секунди, а алмаз масою 2 карати розрізають навпіл менше, як за 1секунду.