Раздел 5. Электрофизические и электрохимические методы обработки.

Электрофизические иэлектрохимические методы обработки Общее название методов обработки конструкционных материалов непосредственно электрическимтоком, электролизом и их сочетанием с механическим воздействием. В Э. и э. м. о. включают также методыультразвуковые, плазменные и ряд других методов. С разработкой и внедрением в производство этихметодов сделан принципиально новый шаг в технологии обработки материалов — электрическая энергия извспомогательного средства при механической обработке (осуществление движения заготовки, инструмента)стала рабочим агентом. Всё более широкое использование Э. и э. м. о. в промышленности обусловлено ихвысокой производительностью, возможностью выполнять технологические операции, недоступныемеханическим методам обработки. Э. и э. м. о. весьма разнообразны и условно их можно разделить наэлектрофизические (электроэрозионные, электромеханические, лучевые), электрохимические икомбинированные (рис. 1).

         Электрофизические методы обработки

  Электроэрозионная обработка основана на вырывании частиц материала с поверхности импульсомэлектрического разряда. Если задано напряжение (расстояние) между электродами, погруженными в жидкийдиэлектрик, то при их сближении (увеличении напряжения) происходит пробой диэлектрика — возникаетэлектрический разряд, в канале которого образуется плазма с высокой температурой.

      Т. к. длительность используемых в данном методе обработки электрических импульсов не превышает10^—2 сек, выделяющееся тепло не успевает распространиться в глубь материала и даже незначительнойэнергии оказывается достаточно, чтобы разогреть, расплавить и испарить небольшое количество вещества.Кроме того, давление, развиваемое частицами плазмы при ударе об электрод, способствует выбросу(эрозии) не только расплавленного, но и просто разогретого вещества. Поскольку электрический пробой, какправило, происходит по кратчайшему пути, то прежде всего разрушаются наиболее близко расположенныеучастки электродов. Т. о., при приближении одного электрода заданной формы (инструмента) к другому(заготовке) поверхность последнего примет форму поверхности первого (рис. 2). Производительностьпроцесса, качество получаемой поверхности в основном определяются параметрами электрическихимпульсов (их длительностью, частотой следования, энергией в импульсе). Электроэрозионный методобработки объединил электроискровой и электроимпульсный методы.

         Электроискровая обработка была предложена советскими учёными H. И. и Б. Р. Лазаренко в 1943. Онаоснована на использовании искрового разряда (См. Искровой разряд). При этом в канале разрядатемпература достигает 10000 °С, развиваются значительные гидродинамические силы, но сами импульсыотносительно короткие и, следовательно, содержат мало энергии, поэтому воздействие каждого импульса наповерхность материала невелико. Метод позволяет получить хорошую поверхность, но не обладаетдостаточной производительностью. Кроме того, при этом методе износ инструмента относительно велик(достигает 100% от объёма снятого материала). Метод используется в основном при прецизионнойобработке небольших деталей, мелких отверстий, вырезке контуров. твердосплавных штампов проволочнымэлектродом (см. ниже).

   Электроимпульсная обработка основана на использовании импульсов дугового разряда (См. Дуговойразряд). Предложена советским специалистом М. М. Писаревским в 1948. Этот метод стал внедряться впромышленность в начале 1950-х гг. В отличие от искрового, дуговой разряд имеет температуру плазмыниже (4000-5000°С), что позволяет увеличивать длительность импульсов, уменьшать промежутки междуними и т. о. вводить в зону обработки значительные мощности (несколько десятков квт), т. е. увеличиватьпроизводительность обработки. Характерное для дугового разряда преимущественно разрушение катодаприводит к тому, что износ инструмента (в этом случае он подключается к аноду) ниже, чем приэлектроискровой обработке, составляя 0,05—0,3% от объёма снятого материала (иногда инструмент вообщене изнашивается). Более экономичный электроимпульсный метод используется в основном для черновойобработки и для трёхкоординатной обработки фасонных поверхностей. Оба метода (электроискровой иэлектроимпульсный) дополняют друг друга.

         Электроэрозионные методы особенно эффективны при обработке твёрдых материалов и сложныхфасонных изделий. При обработке твёрдых материалов механическими способами большое значениеприобретает износ инструмента. Преимущество электроэрозионных методов (как и вообще всех Э. и э. м. о.)состоит в том, что для изготовления инструмента используются более дешёвые, легко обрабатываемыематериалы. Часто при этом износ инструментов незначителен. Например, при изготовлении некоторых типовштампов механическими способами более 50% технологической стоимости обработки составляет стоимостьиспользуемого инструмента. При обработке этих же штампов электроэрозионными методами стоимостьинструмента не превышает 3,5%. Условно технологические. приёмы электроэрозионной обработки можноразделить на прошивание и копирование. Прошиванием удаётся получать отверстия диаметром менее 0,3мм, что невозможно сделать механическими методами. В этом случае инструментом служит тонкаяпроволочка. Этот приём на 20—70% сократил затраты на изготовление отверстий в фильерах, в том числеалмазных. Более того, электроэрозионные методы позволяют изготовлять спиральные отверстия. Прикопировании получила распространение обработка ленточным электродом (рис. 3). Лента, перематываясь скатушки на катушку, огибает копир, повторяющий форму зуба. На грубых режимах лента «прорезает»заготовку на требуемую глубину, после чего вращением заготовки щель расширяется на нужную ширину.Более распространена обработка проволочным электродом (лента заменяется проволокой). Этим способом,например, можно получать из единого куска материала одновременно пуансон и матрицу штампа, причём ихсоответствие практически идеально. Возможности электроэрозионной обработки при изготовлении деталейсложной формы видны из рис. 4а, б. Другие её разновидности: размерная обработка, упрочнениеинструмента, получение порошков для порошковой металлургии и др. См. также Вихрекопировальнаяобработка.

         Первый в мире советский электроэрозионный (электроискровой) станок был предназначен дляудаления застрявшего в детали сломанного инструмента (1943). С тех пор в СССР и за рубежом выпущенобольшое число разнообразных по назначению, производительности и конструкции электроэрозионныхстанков. По назначению (как и металлорежущие станки (См. Металлорежущий станок)) различают станкиуниверсальные, специализированные (см., напр., рис. 5) и специальные, по требуемой точности обработки— общего назначения, повышенной точности, прецизионные. Общими для всех электроэрозионных станковузлами являются устройство для крепления и перемещения инструмента (заготовки), гидросистема,устройство для автоматического регулирования межэлектродного промежутка (между заготовкой иинструментом). Генераторы соответствующих импульсов (искровых или дуговых) изготовляются, как правило,отдельно и могут работать с различными станками. Основные отличия устройств для перемещенияинструмента (заготовки) в электроэрозионных станках от таковых в металлорежущих станках — отсутствиезначительных силовых нагрузок и наличие электрической изоляции между электродами. Гидросистемасостоит из ванны с рабочей жидкостью (технического масла, керосин и т. п.), гидронасоса для прокачиванияжидкости через межэлектродный промежуток и фильтров для очистки жидкости, поступающей в насос, отпродуктов эрозии.

         Электроимпульсный станок отличается от электроискрового практически только генераторомимпульсов. Советская промышленность выпускает генераторы различного назначения. Развитие техникиполупроводниковых приборов позволило создать генераторы, обеспечивающие изменение параметровимпульсов в широких пределах. Например, у советского генератора ШГИ-125-100 диапазон частотследования импульсов 0,1—100 кгц, длительность импульсов 3—9000 мксек, максимальная мощность 7,5квт, номинальная сила тока 125 а. Диапазон рабочих напряжении, вырабатываемых для электроискровойобработки, — 60—200 в, а для электроимпульсной — 20—60 в. Современные электроэрозионные станки —высокоавтоматизированные установки, зачастую работающие в полуавтоматическом режиме.

         Электромеханическая обработка объединяет методы, совмещающие одновременное механическоеи электрическое воздействие на обрабатываемый материал в зоне обработки. К ним же относят методы,основанные на использовании некоторых физических явлений (например, гидравлический удар, ультразвук идр.).

         Электроконтактная обработка основана на введении в зону механической обработки электрическойэнергии — возбуждении мощной дуги переменного или постоянного тока (до 12 ка при напряжении до 50 в)между, например, диском, служащим для удаления материала из зоны обработки, и изделием (рис. 6).Применяется для обдирки литья, резки и других видов обработки, аналогичных по кинематике движенийпочти всем видам механической обработки. Преимущества метода — высокая производительность (до 10⁶мм³/мин) на грубых режимах, простота инструмента, работа при относительно небольших напряжениях,низкие удельные давления инструмента — 30—50 кн/м² (0,3— 0,5 кгс/см²) и, как следствие, возможностьиспользования для обработки твёрдых материалов инструмента, изготовленного из относительно мягкихматериалов. Недостатки — большая шероховатость обработанной поверхности, тепловые воздействия наметалл при жёстких режимах.

    Разновидностью электроконтактной обработки является электроабразивная обработка — обработкаабразивным инструментом (См. Абразивный инструмент) (в т. ч. алмазно-абразивным), изготовленным наоснове проводящих материалов. Введение в зону обработки электрической энергии значительно сокращаетизнос инструмента.

         Электроконтактные станки по кинематике не отличаются практически от соответствующихметаллорежущих станков; имеют мощный источник тока.

        Магнитоимпульсная обработка применяется для пластического деформирования металлов и сплавов(обжатие и раздача труб, формовка трубчатых и листовых заготовок, калибровка и т. п.) и основана нанепосредственном преобразовании энергии меняющегося с большой скоростью магнитного поля,возбуждаемого, например, при разряде батареи мощных конденсаторов на индуктор, в механическую работупри взаимодействии с проводником (заготовкой) (рис. 7). Преимущества метода — отсутствие движущихся итрущихся частей в установках, высокая надёжность и производительность, лёгкость управления икомпактность, наличие лишь одного инструмента — матрицы или пуансона (роль другого выполняет поле) идр.: недостатки — относительно невысокий кпд, затруднительность обработки заготовок с отверстиями илипазами (мешающими протеканию тока) и большой толщины.

      Электрогидравлическая обработка (главным образом штамповка). Основана на использовании энергиигидравлического удара (См. Гидравлический удар) при мощном электрическом (искровом) разряде в жидкомдиэлектрике (рис. 8). При этом необходимо вакуумирование полости между заготовкой и матрицей,поскольку из-за огромных скоростей движения заготовки к матрице воздух не успевает уйти из полости ипрепятствует плотному прилеганию заготовки к матрице. Метод прост, надёжен, но обладает небольшим кпд,требует высоких электрических напряжений и не всегда даёт воспроизводимые результаты.

К электромеханической обработке относится также Ультразвуковая обработка.

        

 Лучевая обработка. 

К лучевым методам обработки относится обработка материалов электроннымпучком и световыми лучами (см. Лазерная технология). Электроннолучевая обработка осуществляетсяпотоком электронов высоких энергий (до 100 кэв). Таким путём можно обрабатывать все известныематериалы (современная Электронная оптика позволяет концентрировать электронный пучок на весьмамалой площади, создавать в зоне обработки огромные плотности мощности). Электроннолучевые станкимогут выполнять резание (в т. ч. прошивание отверстий) и сварку с большой точностью (до 50 Å). Основойэлектроннолучевого станка является Электронная пушка. Станки имеют также устройства контроля режимаобработки, перемещения заготовки, вакуумное оборудование. Из-за относительно высокой стоимости, малойпроизводительности, технической сложности станки используются в основном для выполнения прецизионныхработ в микроэлектронике, изготовления фильер с отверстиями малых (до 5 мкм) диаметров, работ с особочистыми материалами.

К электрофизическим методам обработки относится также Плазменная обработка.

        

 Электрохимические методы обработки

         Основаны на законах электрохимии (См. Электрохимия). По используемым принципам эти методыразделяют на анодные и катодные (см. Электролиз), по технологическим возможностям — на поверхностныеи размерные.

         

Поверхностная электрохимическая обработка. 

Практическое использование электрохимическихметодов началось с 30-х гг. 19 в. (гальваностегия и гальванопластика, см. Гальванотехника). Первый патентна электролитическое полирование был выдан в 1910 Е. И. Шпитальскому (См. Шпитальский). Суть методасостоит в том, что под действием электрического тока в электролите происходит растворение материалаанода (анодное растворение), причём быстрее всего растворяются выступающие части поверхности, чтоприводит к её выравниванию. При этом материал снимается со всей поверхности, в отличие отмеханического полирования, где снимаются только наиболее выступающие части. Электролитическоеполирование позволяет получить поверхности весьма малой шероховатости. Важное отличие отмеханического полирования — отсутствие каких-либо изменений в структуре обрабатываемого материала.См. статьи Анодирование, Пассивирование.

         Размерная электрохимическая обработка. К этим методам обработки относят анодно-гидравлическую и анодно-механическую обработку (См. Анодно-механическая обработка).

Анодногидравлическая обработка впервые была применена в Советском Союзе в конце 20х гг. дляизвлечения из заготовки остатков застрявшего сломанного инструмента. Скорость анодного растворениязависит от расстояния между электродами: чем оно меньше, тем интенсивнее происходит растворение.Поэтому при сближении электродов поверхность анода (заготовка) будет в точности повторять поверхностькатода (инструмента). Однако  процессу растворения мешают продукты электролиза, скапливающиеся в зонеобработки, и истощение электролита. Удаление продуктов растворения и обновление электролитаосуществляются либо механическим способом (анодно-механическая обработка), либо прокачиваниемэлектролита через зону обработки (рис. 9).

         Этим методом, подбирая электролит, можно обрабатывать практически любые токопроводящиематериалы, обеспечивая высокую производительность в сочетании с высоким качеством поверхности.Используемые для анодно-гидравлической обработки электрохимические станки просты в обращении,используют низковольтное (до 24 в) электрооборудование. Однако значительные плотности тока (до 200 а/см²) требуют мощных источников тока, больших расходов электролита (иногда до ¹/₃ площади цеховзанимают баки для электролита).

         Комбинированные методы обработки сочетают в себе преимущества электрофизических иэлектрохимических методов. Используемые сочетания разнообразны. Например, сочетание анодно-механической обработки с ультразвуковой в некоторых случаях повышает производительность в 20 раз.Существующие электроэрозионно-ультразвуковые станки позволяют использовать оба метода как раздельно,так и вместе.

        Лит.: Вишницкий А. Л., Ясногородский И. 3., Григорчук И. П., Электрохимическая нэлектромеханическая обработка металлов, Л., 1971; Электрофизические и электрохимические методыразмерной обработки материалов, М., 1971; Черепанов Ю. П., Самецкий Б. И., Электрохимическаяобработка в машиностроении, М., 1972; Новое в электрофизической и электрохимической обработкематериалов, Л., 1972. Д. Л. Юдин.

        

        Рис. 1. Классификация основных электрофизических и электрохимических методов обработки.

        

        Рис. 2. Схема электроэрозионного метода обработки: 1 — инструмент; 2 — заготовка; 3 — жидкийдиэлектрик; 4 — электрические разряды.

        

        Рис. 3. Схема обработки пазов ленточным электродом: 1 — лента; 2 — катушки; 3 — копир; 4 —заготовка.

        

        Рис. 5. Электроэрозионный станок для извлечения обломков свёрл из глубоких отверстий в коленчатыхвалах.

        

        Рис. 6. Принципиальная схема электроконтактной обработки: 1 — заготовка; 2 — диск; 3 — источникпитания.

        

        Рис. 7. Схема магнитоимпульсной обработки: 1 - индуктор; 2 - заготовка. Пунктиром показаны магнитныесиловые линии; жирными стрелками - механические силы.

        

        Рис. 8. Схема устройства для электрогидравлической штамповки: 1 - электроды; 2 - заготовка; 3 -вакуумная полость матрицы; 4 - матрица; 5 - рабочая жидкость.

        

        Рис. 9. Схема анодно-гидравлической обработки поверхности турбинной лопатки подвижнымиэлектродами: 1 — лопатка; 2 — электроды; 3 — электролит. Стрелками показано направление движенияэлектродов и электролита.

        

        Рис 4. Половина ковочного штампа.

        

        Рис. 4б. Рабочее колесо газовой турбины, обработанное электроэрозионным методом.