4.2 Завдання на практичне заняття
1. Ознайомитися з викладеним теоретичним матеріалом в п. 4.1 і в [1, 11].
2. Описати один з методів електрохімічної обробки згідно виданого викладачем завдання. Навести схему, основні параметри обробки, проаналізувати особливості, переваги і недоліки методу.
3. Вибрати електроліт для проведення електрохімічної обробки за заданим методом.
4. Проаналізувати технологічні характеристики процесу ЕХО, що розглядається.
4.3 Оформлення та захист звіту
Звіт з виконаної роботи оформляється у зошиті з практичних занять чи окремо на аркушах формату А4, де на першій (титульній) сторінці вказуються дані про навчальний заклад, кафедру, студента, що виконав цю роботу, викладача, що прийняв роботу. На наступній сторінці вказується назва і мета заняття, а також наводяться вихідні дані завдання, отриманого у викладача. Нижче наводяться результати виконання завдання згідно з п. 4.2. В кінці звіту наводиться висновок за результатами виконання завдання та перелік використаних літературних джерел.
Повністю оформлений і підписаний студентом звіт подається викладачеві до захисту в кінці заняття.
4.4 Запитання для самоконтролю
1. В яких випадках застосовують електрохімічну обробку (ЕХО) металів? На чому вона заснована?
2. Поясніть суть явища анодного розчинення при ЕХО.
3. Назвіть основні параметри анодного розчинення.
4. Опишіть процес електрохімічного полірування.
5. Поясніть схему електроабразивного шліфування.
6. На чому заснована анодно-механічна обробка.
7. Які електроліти використовують для ЕХО?
8. Від чого залежить продуктивність ЕХО?
9. Поясніть причину виникнення похибки при розмірній електрохімічній обробці.
Практичне заняття № 5
Вивчення параметрів та режимів електроерозійного та електроімпульсного методів обробки поверхонь деталей приладів
Мета заняття: Ознайомитись та вивчити основні параметри режимів електроерозійного та електроімпульсного методів обробки матеріалів і деталей приладів
Тривалість заняття: 2 год.
5.1 Основні теоретичні положення
Електроерозійна обробка металів .
Розробниками даного методу є радянські вчені Н.І.Лазаренко і Б.Р.Лазаренко. Помістивши електроди в рідкий діелектрик і розмикаючи електричне коло, вчені помітили, що рідина мутніла вже після перших розрядів між контактами. Вони встановили: це відбувається тому, що в рідині з'являються дрібні металеві кульки, які виникають внаслідок електричної ерозії електродів.
Вчені вирішили посилити ефект руйнування і спробували застосувати електричні розряди для рівномірного видалення металу (1943 р.). З цією метою вони помістили електроди (інструмент 1 і заготівлю 3) в рідкий діелектрик 4, який охолоджував розплавлені частки металу і не дозволяв їм осідати на протилежний електрод (рис. 5.1).
Рисунок 5.1 - Схема електроіскрового верстата: 1 - електрод - інструмент; 2 - ванна; 3 - заготовка; 4 - діелектрична рідина; 5 - пластина ізолююча
Як генератор імпульсів використовувалася батарея конденсаторів (С), що заряджаються від джерела постійного струму, час зарядки конденсаторів регулювали реостатом (R). Так з'явилася перша в світі електроерозійна установка. Електрод-інструмент 1 переміщали до заготівлі 3. У міру їх зближення зростала напруженість поля в просторі між заготовкою та інструментом. Цей простір називають міжелектродним простором або просто зазором.
При досягненні певної напруженості поля на ділянці з мінімальною відстанню між поверхнями електродів (мінімальним електродним зазором), виникав електричний розряд (протікав імпульс) струму, під дією якого відбувалося руйнування ділянки заготовки. Продукти обробки потрапляли в діелектричну рідину 4, де охолоджувалися, не досягаючи електрода-інструменту 1, і потім осідали на дно ванни. Через деякий час електрод-інструмент 1 прошив заготівлю 3. Причому контур отвору точно відповідав профілю інструменту.
Так була винайдена електроерозійна розмірна обробка матеріалів (ЕЕО). Спочатку для здійснення ЕЕО застосовувалися виключно іскрові розряди, створювані конденсатором в так званому RC-генераторі. Тому новий процес у той час називали електроіскровий обробкою.
На початку 50-х років XX сторіччя були розроблені спеціальні генератори імпульсів, завдяки яким обробку можна було проводити не тільки на коротких іскрових розрядах, але і на більш тривалих іскро-дугових і дугових розрядах. Щоб відрізнити нові умови здійснення процесу, його стали називати електроімпульсної обробкою.
Рисунок 5.2 - Схема електроімпульсної установки: 1 - електродвигун, 2 - імпульсний генератор; 3 - електрод- інструмент; 4 - заготівля; 5 - ванна для діелектричної рідини
Цей метод заснований на тому, що полярний ефект при імпульсах малої і середньої тривалості призводить до підвищеної ерозії анода, що використовують при електроіскровий обробці. При імпульсах великої тривалості (дуговий розряд) значно швидше руйнується катод. Тому при електроімпульсній обробці застосовують зворотну полярність включення електродів і обробляють при дії уніполярних імпульсів, створюваних електричними машинами або електронним генератором. Тривалість імпульсів - 500 - 10000 мкс. Електрод - інструмент зношується значно менше, ніж при електроіскровий обробці. Продуктивність вище, оскільки потужність імпульсів більше.
Метод найбільш доцільно застосовувати при попередній обробці штампів, турбінних лопаток, фасонних отворів в деталях з твердих, нержавіючих і жароміцних сплавів. При електроімпульсній обробці знімання металу в одиницю часу в 8 - 10 разів більше, ніж при електроіскровий.
Для підвищення точності і зменшення шорсткості оброблюваних поверхонь заготовок при ЕЕО був запропонований метод високочастотної електроїскрової обробки. Він заснований на використанні електричних імпульсів малої енергії при частоті 100 - 150 кГц.
Рисунок 5.3 - Схема високочастотної електроїскрової обробки: 1 - електрод - інструмент; 2 - заготівля; 3 - трансформатор; 4 - переривач; 5 - випрямляч
У даній схемі дугового розряду немає, оскільки електрод-інструмент 1 і заготівля 2 ввімкнені у вторинну обмотку трансформатора. Продуктивність методу в 30 - 50 разів вище в порівнянні з електроіскровим при значному збільшенні точності і зменшенні шорсткості. Знос інструменту незначний. Метод виключає виникнення структурних змін і мікротріщин в поверхневому шарі матеріалу оброблюваної заготівлі.
В даний час застосовують кілька технологічних схем електроерозійної обробки.
1) Прошивання - видалення металу з порожнин, поглиблень, отворів, пазів, з зовнішніх поверхонь (рис. 5.1.). Прошиванням можна одержувати поверхні як з прямою, так і з криволінійної віссю. Існує два варіанти прошивания:
- пряме копіювання, коли електрод-інструмент знаходиться над заготівлею (малюнокрис. 2.1.);
- зворотне копіювання, коли електрод-інструмент знаходиться під заготівлею. Рух подачі тут може здійснювати заготівля.
Рисунок 2.4 - Схема зворотного копіювання:1 - електрод - інструмент; 2 - заготівля; 3 - ванна; 4 - діелектрик; 5 - продукти обробки
Цей варіант полегшує видалення продуктів обробки і за рахунок скорочення числа бічних розрядів через частинки розплавленого металу в міжелектродному просторі дозволяє підвищити точність обробки деталей.
2) Електроерозійне шліфування.
Металевий електрод-інструмент 1 у формі диска робить обертальний і поступальний рухи до заготівлі 2 зі швидкістю Vu. Заготівля може обертатися назустріч або попутно. Рідина подається поливом з насадки 3. Інструмент - чавунний або мідний диск. Обробку ведуть на постійному або змінному струмі.
Рисунок 5.5 - Схема електроерозійного шліфування: 1 - електрод - інструмент; 2 - заготівля; 3 - насадка.
Використана напруга - 10 - 40 В. Метод не забезпечує високої точності, але продуктивний внаслідок використання великих електричних потужностей. Даний метод також використовують для обробки плоских поверхонь (рис. 5.6).
Рисунок 5.6 - Схема електроконтактнї обробки плоскої поверхні: 1 - заготівля; 2 - інструмент; 3 - трансформатор
3) Розрізання профільним або непрофільним інструментом. Воно включає поділ заготівлі на частини - відрізання (інструмент - диск або пластина), отримання непрямолінійного контуру - вирізування, яке виконується тільки непрофільним електродом-інструментом у вигляді дроту діаметром 0,02 - 0,3 мм або стрижня, які можуть переміщатися в різних напрямках зі швидкістю Vu. в будь-якій частині заготівлі. Матеріал дроту - латунь, мідь, вольфрам, молібден. На рис. 5.7. зображено схему верстата для виконання вирізних робіт.
Рисунок 5.7 - Схема копіювально-вирізного електроерозійного верстата з числовим програмним керуванням (ЧПК): 1 - котушка з дротом; 2 - електропривід натягу дроту; 3 - генератор імпульсів; 4 - інструмент - дріт; 5 - електропривід подачі дроту; 6 - електропривід гвинта поздовжньої подачі стола; 7 - пристрій системи ЧПК; 8 - програмний пристрій; 9 - стіл; 10 - електропривід гвинта поперечної подачі стола
Для усунення впливу зносу електрода - інструменту на точність виготовлення пазів дріт або стрижень переміщають (зазвичай перемотуванням) уздовж осі з певною швидкістю. Розрізання (вирізання) виконують у ванні з діелектричною рідиною.
4) Електроерозійне зміцнення, що включає легування і нарощування поверхні, зазвичай здійснюють на повітрі. Частинки розплавленого металу інструменту на повітрі не встигають охолонути і осідають на поверхні заготівлі, утворюючи на ній шар сплаву, насиченого легуючими елементами електрода-інструменту. Крім того, нанесений на заготівлю шар загартований до високої твердості і має за рахунок цього підвищену зносостійкість.
Загальний опис процессу. Видалення металу з заготівлі відбувається в середовищі діелектрика за рахунок мікророзрядів, що розплавляють частину металу. Розглянемо основні стадії протікання електроерозійного процесу зняття припуску.
У міру зближення електрода-інструмента з заготівлею напруженість Е, В/м електричного поля зростає обернено пропорційно відстані між електродами
(5.1)
де U - різниця потенціалів електроду - інструменту і заготівлі, В; S - зазор між електродами, м.
Найбільша напруженість виникає на ділянці, де міжелектродний зазор мінімальний. Зазор залежить від висоти h в місцевого або макровиступа на заготівлі.
Якщо електроди зблизити до відстані декількох десятків мкм, то напруженість поля в районі виступу буде найбільшою, відбудеться пробій міжелектродного простору в цій точці, виникає електричний розряд, через простір протікає струм, тобто має місце спрямований рух електронів. В електричному полі, що виникло в міжелектродному зазорі, в напрямі, зворотному руху електронів, відбувається переміщення більш важких частинок-іонів. Електрони, що мають меншу масу, швидко досягають позитивно зарядженої поверхні заготівлі і нагрівають метал, викликаючи розплавлення і випаровування його в місці проходження струму. В результаті утворюється заглиблення у формі сферичної лунки радіусом R (рис. 5.8.).
Рисунок 5.8 - Форма лунки
Частинки металлу, що вилетіли з лунки, охолоджуються рідиною, яка знаходиться в зазорі, і застигають у вигляді кульок. Як рідину використовують різні діелектрики: гас плюс мінеральне масло в співвідношенні 1:1; 1:2; дистильовану воду. Поверхня набуває форму з явно вираженими заглибленнями у вигляді лунок. Такі лунки формують мікрорельєф, що характеризує шорсткість поверхні. Поверхневий шар дна лунок відчуває вплив термічного циклу нагріву і швидкого охолодження рідиною. Властивості цього шару відмінні від властивостей металу в глибині заготівлі.
При електроіскровому режимі більшість іонів, що мають значну масу, не встигають досягти негативно зарядженого електрода і викликати видалення матеріалу з його поверхні. Знімання металу відбувається переважно з анода, який вибирають як заготівлі. Кількість і активність іонів, що досягають поверхні інструменту, визначає інтенсивність його зносу. Очевидно, чим менше буде знос інструменту, тим точніше можна отримати деталь. Для цього прагнуть сформувати імпульс з меншою тривалістю, щоб іони не встигали досягти катода.
Полярність, при якій заготівка є анодом, називається прямою. Якщо збільшити тривалість імпульсів струму, то зростає інтенсивність знімання металу з катода (інструменту) потоком іонів. Можна підібрати такий час протікання струму, при якому частка знімання металу електронами складе лише незначну частину від загального обсягу віддаленого з електродів матеріалу. Тому тут необхідно катодом вибрати заготівлю.
Полярність, при якій анодом є інструмент, називається зворотною. При електроімпульсної режимі - зворотна полярність.
Полярність залежить не тільки від тривалості імпульсу, але і від використаних як електроди матеріалів. Для зниження зносу інструменту (від впливу потоку електронів) його виконують з матеріалів, що слабо руйнуються під дією іскрових розрядів: графітових, мідно-графітових композицій.
Кількісною оцінкою зносу є відносний зазор. Це є відношення маси (об'єму) знімання металу з інструменту до маси (об'єму) знятого металу з заготівлі.
Стадії ерозійної обробки.
Першою стадією ерозійного процесу є пробій міжелектродного простору в результаті утворення зони з високою напруженістю поля. Для діелектричних рідин напруженість (Е) поля в момент розряду досягає десятків МВ/м. Під дією розряду відбувається іонізація зазору, через який між електродами починає протікати електричний струм, тобто утворюється канал провідності - вузька циліндрична область, заповнена нагрітою речовиною (плазмою), що містить іони і електрони. Через канал провідності протікає струм, при цьому швидкість зростання його сили може досягати сотень кілоампер в секунду. На границях каналу відбувається плавлення металу, утворюються лунки сферичної форми.
Другою стадією є утворення близько каналу провідності газового міхура з парів рідини і металів. Внаслідок високого тиску (до 2∙10 7 Па) канал провідності прагне розширитися, стискаючи навколишню газову фазу. Границя каналу провідності рухається з високою швидкістю в радіальному напрямку. Швидкість розширення може досягати 150 - 200 м/с. На зовнішній границі утворюється так званий фронт ущільнення, в якому тиск стрибкоподібно змінюється від вихідного в рідині до високого його значення на границі Рф.
Третьою стадією буде припинення струму, відрив ударної хвилі від газового міхура і продовження його розширення за інерцією. Ударна хвиля гаситься навколишньою рідиною.
Рисунок 2.9 - Схема електричного розряду між електродами: 1 - катод; 2 - мікропорція металу, виплавлена на поверхні катода; 3 - газовий міхур; 4 - розплавлені частки металу; 5 - робоча рідина - діелектрик; 6 - анод
На початку цієї стадії в зазорі (0,01 - 0,05 мм) в заглибленнях електродів 1 і 6 знаходиться рідкий метал 2, газовий міхур 3, усередині якого є пари 4 металів заготівлі та інструменту; рідкий діелектрик 5. Коли газовий міхур досягне найбільшого розміру, тиск усередині нього різко падає, а розплавлений метал, що міститься в лунках, скипає і викидається в міжелектродний простір.
Не всякий імпульс, що виробляється генератором, викликає ерозію електродів, тому що великий зазор; мала напруга; винос твердих частинок із зазору утруднений і процес може припинитися. (Тому в великогабаритних заготівлях застосовується примусове прокачування діелектрика).
Для підвищення продуктивності, точності обробки та покращення поверхні деталей доцільно здійснювати прокачування робочої рідини через міжелектродний зазор. Для цього призначена гідравлічна система верстата.
Рисунок 5.10 - Схема гідравлічної системи верстата: 1 - бак; 2 - насос; 3 - манометри; 4 - фільтр; 5 - пристрій для регулювання витрати робочої рідини; 6 - заслінка; 7 - перетворювач; 8 - ротаметр; 9, 10 - крани; 11 - порожнистий електрод - інструмент; 12 - заготівля; 13 - робоча ванна; 14 - зливний отвір
Робоче середовище з бака 1 подається насосом через фільтри 4 і пристрій 5 регулювання витрати в робочу зону. При цьому можливі два варіанти подачі робочого середовища: або при відкритому крані 9 через порожнистий електрод-інструмент 11 в проміжок з заготівлею 12, або через кран 10 безпосередньо в робочу ванну 13. Бак 1 складається з декількох секцій для відстоювання робочого середовища. Секції розділені перегородками, через які рідина потрапляє методом переливу з однієї секції в іншу. Робоча ванна 13 є частиною силової схеми верстата, від її жорсткості залежить точність обробки деталей. У дрібних верстатах ванну безпосередньо кріплять на столі, а робочу рідину періодично зливають в бак. У великих верстатах ванна може підніматися і опускатися. Вона завжди заповнена рідиною.
Є схеми з введенням додаткової посудини (за принципом сполучених посудин), яка опускається і спорожняє робочу ванну. Насос 2 частіше відцентрового типу. Напір - 5 - 10 м, продуктивність - 2 - 180 л/хв. Якщо необхідний високий тиск, то використовують шестеренні насоси (Р = 0,5 - 250 МПа).
Фільтри 4 грубого і тонкого очищення стоять послідовно для затримки шламу:
- паперові по кілька штук в пакеті;
- намивні - із допоміжними фільтруючими речовинами - дрібнопористі частинки з великою активною поверхнею;
- сітчасті;
- магнітні, центрифуги, сепаратори, гідроциклони.
Пристрій 5 призначено для регулювання витрати робочого середовища. Він виконаний у вигляді ежектора. При відведеній заслінці 6 рідина відсмоктується з міжелектродного простору, а при закритій заслінці 6 вона прокачується через зазор. Таким чином, регулюючи положення заслінки 6 перетворювачем 7, можна змінювати витрату робочого середовища через міжелектродний зазор.
В даний час випускаються агрегати постачання та очищення робочого середовища, компоновані в одному корпусі. Вони можуть працювати в автоматичному режимі за заданою програмою або від адаптивної системи.