5 Электрофизические и электрохимические методы обработки материалов

КЛАССИФИКАЦИЯ ФИЗИКО-ХИМИЧЕСКИХ СПОСОБОВ ОБРАБОТКИ МАТЕРИАЛОВ

В современном машиностроении при изготовлении ответственных деталей применяются физико-химические способы размерной и упрочняющее-чистовой обработки. Эти способы дополняют, а иногда заменяют традиционные процессы резания. Постоянно растущие требования к качеству, надежности и долговечности изделий делают актуальными создание и применение новых методов обработки и упрочняющей технологии для повышения износостойкости, коррозионной стойкости, жаропрочности и других эксплуатационных характеристик.

Физико-химические способы имеют следующие достоинства и преимущества перед процессами резания:

1). Копирование формы инструмента сложной формы сразу по всей поверхности заготовки при его простом поступательном движении;

2). Обработка материалов ведется при практической независимости режимов обработки от твердости и вязкости материала;

3). Выполнение уникальных операций (обработка отверстий с криволинейной или спиральной осью, изготовление очень маленьких отверстий, узких и глубоких канавок;

4). Малые значения сил, действующих в процессе обработки, а при некоторых методах отсутствие механического контакта инструмента и заготовки;

5). Используется инструмент менее твердый и менее прочный, чем обрабатываемый материал;

6). Высокая производительность обработки при сравнительно высокой точности получения размеров;

7). Возможность механизации и автоматизации процесса физико-химической обработки, а также многостаночного обслуживания.

Однако физико-химические способы обработки более энергоемки, чем процессы резания. Основные физико-химические способы размерной и упрочняюще-чистовой обработки заготовок следующие:

1. Электроразрядные — электроэрозионный, электроконтактный и абразивно-эрозионный.

2. Электрохимические — электрохимикогидравлический и электрохимикомеханический.

3. Ультразвуковые — размерная ультразвуковая обработка и наложение ультразвуковых колебаний на режущий инструмент.

4. Лучевые — лазерный, электроннолучевой и плазменный.

5. Магнитноимпульсная — индукционная и электродинамическая.

6. Магнитноабразивная.

7. Комбинированные — анодно-механический, элетроэрозионно-химический, ультразвуковой-электрохимический и электролазерный.

В этих методах удаление припуска происходит путем электрической или химической эрозии. Они особенно эффективны при изготовлении таких изделий: штампы, пресс-формы, турбинные лопатки, камеры сгорания, фасонный твердосплавный инструмент, электронная аппаратура и др.

Технико-экономический эффект их применения тем выше, чем сложнее конфигурация обрабатываемых деталей: время изготовления обычных фасонных поверхностей снижается в 2 … 3 раза, сложных – в 5 … 10 раз.

ЭЛЕКТРОЭРОЗИОННАЯ ОБРАБОТКА МЕТАЛЛОВ

Поместив электроды в жидкий диэлектрик и размыкая электрическую цепь, ученые заметили, что жидкость мутнела уже после первых разрядов между контактами. Они установили: это происходит потому, что в жидкости появляются мельчайшие металлические шарики, которые возникают вследствие электрической эрозии электродов.

Ученые решили усилить эффект разрушения и попробовали применить электрические разряды для равномерного удаления металла (1943 г.). С этой целью они поместили электроды (инструмент 1 и заготовку 3) в жидкий диэлектрик 4, который охлаждая расплавленные частицы металла и не позволяя им оседать на противолежащий электрод (рисунок 2.1).

Рисунок 2.1 — Схема электроискрового станка

1 – электрод — инструмент; 2 – ванна; 3 – заготовка; 4 – диэлектрическая жидкость; 5 – пластина изолирующая.

В качестве генератора импульсов использовалась батарея конденсаторов (С), заряжаемых от источника постоянного тока; время зарядки конденсаторов регулировали реостатом (R). Так появилась первая в мире электроэрозионная установка. Электрод-инструмент 1 перемещали к заготовке 3. По мере их сближения возрастала напряженность поля в пространстве между заготовкой и инструментом. Это пространство называют межэлектродным промежутком (МЭП) или просто промежутком (зазором).

При достижении определенной напряженности поля на участке с минимальным расстоянием между поверхностями электродов (минимальным электродным зазором), возникал электрический разряд (протекал импульс) тока, под действием которого происходило разрушение участка заготовки. Продукты обработки попадали в диэлектрическую жидкость 4, где охлаждались, не достигая электрода-инструмента 1, и затем осаждались на дно ванны. Через некоторое время электрод-инструмент 1 прошил заготовку 3. Причем контур отверстия точно соответствовал профилю инструмента.

Так была изобретена электроэрозионная размерная обработка материалов (ЭЭО). Первоначально для осуществления ЭЭО применялись исключительно искровые разряды, создаваемые конденсатором в так называемомRC-генераторе. Поэтому новый процесс в то время называли электроискровой обработкой.

В начале 50-х годов XX столетия были разработаны специальные генераторы импульсов, благодаря которым обработку можно было проводить не только на коротких искровых разрядах, но и на более продолжительных искро-дуговых и дуговых разрядах. Чтобы отличить новые условия осуществления процесса, его стали называть электроимпульсной обработкой.

Рисунок 2.2 — Схема электроимпульсной установки

1 – электродвигатель; 2 – импульсный генератор; 3 – электрод — инструмент; 4 – заготовка; 5 – ванна для диэлектрической жидкости.

Этот метод основан на том, что полярный эффект при импульсах малой и средней продолжительности приводит к повышенной эрозии анода, что используется при электроискровой обработке. При импульсах большой продолжительности (дуговой разряд) значительно быстрее разрушается катод. Поэтому при электроимпульсной обработке применяют обратную полярность включения электродов и обрабатывают при действии униполярных импульсов, создаваемых электрическими машинами или электронным генератором. Продолжительность импульсов – 500 … 10000 мкс. Электрод — инструмент изнашивается значительно меньше, чем при электроискровой обработке. Производительность выше, так как мощность импульсов больше.

Метод наиболее целесообразно применять при предварительной обработке штампов, турбинных лопаток, фасонных отверстий в деталях из твердых, нержавеющих и жаропрочных сплавов. При электроимпульсной обработке съем металла в единицу времени в 8 … 10 раз больше, чем при электроискровой.

Для повышения точности и уменьшения шероховатости обрабатываемых поверхностей заготовок при ЭЭО был предложен метод высокочастотной электроискровой обработки. Он основан на использовании электрических импульсов малой энергии при частоте 100 …150кГц.

Рисунок 2.3 — Схема высокочастотной электроискровой обработки

1 – электрод — инструмент; 2 – заготовка; 3 – трансформатор; 4 – прерыватель; 5 – выпрямитель.

В данной схеме дугового разряда нет, так как электрод- инструмент 1 и заготовка 2 включены во вторичную цепь трансформатора. Производительность метода в 30 … 50 раз выше по сравнению с электроискровым при значительном увеличении точности и уменьшении шероховатости. Износ инструмента незначителен. Метод исключает структурные изменения и микротрещины в поверхностном слое материала обрабатываемой заготовки.

В настоящее время применяют несколько технологических схем электроэрозионной обработки.

1). Прошивание – удаление металла из полостей, углублений, отверстий, пазов, с наружных поверхностей (рисунок 2.1.). Прошиванием можно получать поверхности как с прямой, так и с криволинейной осью. Существует два варианта прошивания:

— прямое копирование, когда электрод-инструмент находится над заготовкой (рисунок 2.1.);

— обратное копирование, когда электрод-инструмент находится под заготовкой. Движение подачи здесь может осуществлять заготовка.

Рисунок 2.4 — Схема обратного копирования

1 – электрод — инструмент; 2 – заготовка; 3 – ванна; 4 – диэлектрик; 5 – продукты обработки.

Этот вариант облегчает удаление продуктов обработки и за счет сокращения числа боковых разрядов через частицы расплавленного металла в межэлектродном промежутке повысить точность обработки деталей.

2).Электроэрозионное шлифование

Рисунок 2.5 — Схема электроэрозионного шлифования

1 – электрод — инструмент; 2 – заготовка; 3 – насадка.

Металлический электрод-инструмент 1 в форме диска совершает вращательное и поступательное движения к заготовке 2 со скоростью . Заготовка может вращаться навстречу или попутно. Жидкость подается поливом из насадка 3. Инструмент чугунный или медный диск. Обработку ведут на постоянном или переменном токе. Используемое напряжение – 10 … 40 В. Метод не обеспечивает высокой точности и низкой шероховатости, но высокопроизводителен вследствие использования больших электрических мощностей.

Данный метод также используется для обработки плоских поверхностей (рисунок 2.6.).

Рисунок 2.6 — Схема электроконтактной обработки плоской поверхности

1 – заготовка; 2 – инструмент; 3 – трансформатор.

3). Разрезание профильным или непрофилированным инструментом.

Оно включает разделение заготовки на части – отрезание (инструмент – диск или пластина), получение непрямолинейного контура – вырезание, которое выполняется только непрофилированным электродом — инструментом – проволока диаметром 0,02 … 0,3 мм или стержня, которые могут перемещаться в различных направлениях со скоростью υ_u в любой части заготовки. Материал проволоки – латунь, медь, вольфрам, молибден. На рисунке 2.7. дана схема станка для выполнения вырезных работ.

Рисунок 2.7 — Схема копировально- вырезного электроэрозионного станка с ЧПУ

1 – катушка с проволокой; 2 – электропривод натяжения проволоки; 3 – генератор импульсов; 4 – инструмент — проволока; 5 – электропривод подачи проволоки; 6 – электропривод винта продольной подачи стола; 7 – устройство системы ЧПУ; 8 – считывающее устройство и программоноситель; 9 – стол; 10 – электропривод винта поперечной подачи стола.

Для устранения влияния износа электрода — инструмента на точность прорезаемых пазов проволоку или стержень перемещают (обычно перематыванием) вдоль оси с определенной скоростью. Разрезание (вырезание) выполняют в ванне с диэлектрической жидкостью.

4). Электроэрозионное упрочнение, включающее легирование и наращивание поверхности, обычно осуществляют на воздухе. Частицы расплавленного металла инструмента на воздухе не успевают остыть и оседают на поверхности заготовки, образуя на ней слой сплава, насыщенного легирующими элемента электрода-инструмента. Кроме того, нанесенный на заготовку слой закален до высокой твердости и имеет за счет этого повышенную износостойкость.

1. Общее описание процесса

Удаление металла с заготовки происходит в среде диэлектрика за счет микроразрядов, расплавляющих часть металла. Рассмотрим основные стадии протекания электроэрозионного процесса снятия припуска.

По мере сближения электрода-инструмента с заготовкой напряженность (Е) электрического поля возрастает обратно пропорционально расстоянию между электродами:

В/м

Где U – разность потенциалов электрода — инструмента и заготовки, В;

S– зазор между электродами, м.

Наибольшая напряженность возникает на участке, где межэлектродный зазор минимален. Зазор зависит от высоты h_в местного или макровыступа на заготовке.

Если электроды сблизить до расстояния нескольких десятков мкм, то напряженность поля в районе выступа будет наибольшей, произойдет пробой межэлектродного промежутка в этой точке, возникает электрический разряд, через промежуток протекает ток, то есть имеет место направленное движение электронов. В электрическом поле, возникшем в межэлектродном зазоре, в направлении, обратном движению электронов, происходит перемещение более тяжелых частиц-ионов. Электроны, имеющие меньшую массу, быстро достигают положительно заряженной поверхности заготовки и нагревают металл, вызывая расплавление и испарение его в месте прохождения тока. В результате образуется углубление в форме сферической лунки радиусом R (рисунок 2.8.).

Рисунок 2.8 — Форма лунки

Вылетевшие из лунки частицы металла охлаждаются жидкостью, которая находится в зазоре, и застывает в виде шариков. В качестве жидкости используют различные диэлектрики: керосин плюс минеральное масло в соотношении 1:1; 1:2; дистиллированную воду. Поверхность приобретает форму с явно выраженными углублениями в виде лунок. Такие лунки формируют микрорельеф, характеризующий шероховатость поверхности. Поверхностный слой дна лунок испытывает воздействие термического цикла нагрева и быстрого охлаждения жидкостью. Свойства этого слоя отличны от свойств металла в глубине заготовки.

В электроискровом режиме большинство ионов, имеющих значительную массу, не успевают достичь отрицательно заряженного электрода и вызвать удаление материала с его поверхности. Съем металла происходит преимущественно с анода, который выбирают в качестве заготовки. Количество и активность ионов, достигающих поверхности инструмента, определяет интенсивность его износа. Очевидно, чем меньше будет износ инструмента, тем точнее можно получить деталь. Для этого стремятся сформировать импульс с меньшей длительностью, чтобы ионы не успевали достичь катода.

Полярность, при которой заготовка является анодом, называется прямой. Если увеличить длительность импульсов тока, то растет интенсивность съема металла с катода (инструмента) потоком ионов. Можно подобрать такое время протекания тока, при котором доля съема металла электронами составит лишь незначительную часть от общего объема удаленного с электродов материала. Поэтому здесь необходимо катодом выбрать заготовку.

Полярность, при которой анодом является инструмент, называется обратной. При электроимпульсном режиме — обратная полярность.

Полярность зависит не только от длительности импульса, но и от используемых в качестве электродов материалов. Для снижения износа инструмента (от воздействия потока электронов) его выполняют из материалов, слабо разрушающихся под действием искровых разрядов: графитовых, медно-графитовых композиций.

Количественной оценкой износа является относительный зазор. Это есть отношение массы (объема) съема металла с инструмента к массе (объему) снятого металла с заготовки.

Стадии протекания

Первой стадией эрозионного процесса является пробой межэлектродного промежутка в результате образования зоны с высокой напряженностью поля. Для диэлектрических жидкостей … напряженность (Е) поля в момент разряда достигает десятков мегавольт на метр. Под действием разряда происходит ионизация промежутка, через который между электродами начинает протекать электрический ток, то есть образуется канал проводимости — узкая цилиндрическая область, заполненная нагретым веществом (плазмой), содержащим ионы и электроны. Через канал проводимости протекает ток, при этом скорость нарастания его силы может достигать сотен килоампер в секунду. На границах канала происходит плавление металла, образуются лунку сферической формы.

Второй стадией является образование около канала проводимости газового пузыря из паров жидкости и металлов. Вследствие высокого давления (до 2∙10⁷ Па) канал проводимости стремится расшириться, сжимая окружающую его газовую фазу. Граница канала проводимости движется с высокой скоростью в радиальном направлении. Скорость расширения может достигать 150 … 200 м/с. На наружной границе образуется так называемый фронт уплотнения, в котором давление скачкообразно меняется от исходного в жидкости до высокого его значения на границе Р_ф.

Третьей стадией будет прекращение тока, отрыв ударной волны от газового пузыря и продолжение его расширения по инерции. Ударная волна гасится окружающей жидкостью.

Рисунок 2.9 — Схема электрического разряда между электродами

1 – катод; 2 – микропорция металла, выплавленная на поверхности катода; 3 – газовый пузырь; 4 – расплавленные частицы металла; 5 – рабочая жидкость – диэлектрик; 6 – анод.

В начале этой стадии в зазоре (0,01…0,05 мм) находятся жидкий металл 2 в углублениях электродов 1 и 6; газовый пузырь 3, внутри которого имеются пары 4 металлов заготовки и инструмента; жидкий диэлектрик 5. Когда газовый пузырь достигнет наибольшего размера, давление внутри него резко падает. Содержащийся в лунках расплавленный металл вскипает и выбрасывается в межэлектродный промежуток.

Не всякий импульс, вырабатываемый генератором, вызывает эрозию электродов: так как велик зазор; мало напряжение; вынос твердых частиц из зазора затруднен и процесс может прекратиться. (Поэтому в крупногабаритных заготовках применяется принудительноепрокачивание диэлектрика).

РАЗМЕРНАЯ ЭЛЕКТРОХИМИЧЕСКАЯ ОБРАБОТКА

Существует несколько основных схем электрохимической обработки.

1). Обработка с неподвижными электродами.

По этой схеме получают местные облегчения в деталях, отверстия в листовых материалах, наносят информацию (порядковые номера, шифры изделий и др.), удаляют заусенцы.

Рисунок 3.1 — Схема обработки с неподвижными электродами

1 – электрод — инструмент; 2 – заготовка; 3 – диэлектрик.

Требуемая форма углубления или отверстия получается за счет нанесения на заготовку 2 слоя диэлектрика 3. Электрод-инструмент 1 не перемещается к обрабатываемой поверхности – межэлектродный зазор по мере съема металла с заготовкой 2 возрастает, а скорость прокачки электролита снижается. Процесс будет неустановившимся с нестационарным по времени режимов обработки.

2). Прошивание углублений, полостей и отверстий.

Рисунок 3.2. — Схема прошивания

1 – электрод-инструмент; 2 – заготовка.

При такой схеме электрод-инструмент 1 имеет одно рабочее движение — поступательное движение со скоростью к детали 2. Межэлектродный зазор (S) — постоянный, т.е. режим стационарный. Электролит прокачивается со скоростью .

По этой схеме изготовляют рабочие полости ковочных штампов, пресс — форм, прошивают отверстия, пазы, перья лопаток турбин, вырезают заготовки различного профиля.

К такой схеме относят и получение отверстий струйным методом.

Рисунок 3.3 — Схема прошивания струйным методом

1 - электрод-инструмент (токопровод); 2 – заготовка;

3 – диэлектрический корпус.

Электрод-инструмент состоит из токопровода 1, омываемого потоком электролита. Токопровод находится внутри корпуса 3 из диэлектрика. Электролит создает токопроводящий канал между токопроводом 1 и заготовкой 2.

В месте контакта жидкости с обрабатываемой поверхностью материал заготовки растворяется и образуется углубление. Процесс идет достаточно быстро только при высоких напряжениях (до нескольких сотен вольт). Так получают отверстия диаметром 1,5…2,0 мм и вырезают контуры деталей сложной формы.

3). Точение наружных и внутренних поверхностей.

Рисунок 3.4 — Схема точения наружных поверхностей

1 – электрод-инструмент; 2 – заготовка.

По такой схеме электрод-инструмент 1 выполняет роль резца, без контакта. В зазор S прокачивается электролит со скоростью _. При точении внутренней поверхности электрод-инструмент 1 перемещается вдоль заготовки 2 со скоростью .

Межэлектродный зазор S может поддерживаться диэлектрическими прокладками 3.

Рисунок 3.5 — Схема точения внутренних поверхностей

1 – электрод — инструмент; 2 – заготовка; 3 – прокладки диэлектрические.

4). Протягивание наружных и внутренних поверхностей в заготовках

Заготовки должны иметь предварительно обработанные поверхности, по которым можно базировать электрод-инструмент. Его устанавливают относительно заготовки с помощью диэлектрических прокладок. Электрод-инструмент продольно перемещается (иногда вращается).

По такой схеме выполняют чистовую обработку цилиндрических отверстий, нарезание резьбы, шлицев, винтовых канавок.

5). Разрезание заготовок

При разрезании заготовок используется профилированный инструмент (вращающийся диск) или непрофилированный-проволока.

Рисунок 3.6 — Схема разрезания профилированным инструментом

1 – электрод — инструмент (диск); 2 – заготовка.

При этой схеме зазор между инструментом-электродом и заготовкой должен быть постоянным.

Для выполнения в заготовках различных фигурных пазов, щелей особенно в нежестких материалах применяется непрофилированный инструмент-электрод в виде проволоки из латуни, меди или вольфрама.

Рисунок 3.7 — Схема разрезания непрофилированным инструментом

1 – инструмент — электрод (проволока); 2 – заготовка.

Для устранения влияния износа проволоки на точность обработки проволока непрерывно перематывается с катушки на катушку, что позволяет участвовать в работе все новым ее элементам.

6). Шлифование

При этом используется вращающийся металлический инструмент цилиндрической формы, который поступательно движется вдоль заготовки 2 со скоростью .

Рисунок 3.8 — Схема шлифования

1 – электрод — инструмент; 2 – заготовка.

Это окончательная операция при изготовлении пакетов пластин из магнитомягких материалов, когда при обработке недопустимы механические усилия, а также для изготовления деталей из вязких и прочных сплавов.

Технологические показатели ЭХО

Точность обработки

Точность размеров и формы детали зависят от погрешности электрода — инструмента и от погрешности, вызванной отклонениями режима ЭХО от расчетного.

Кроме того, погрешность детали зависит от припуска на обработку, его неравномерности, стабильности процесса анодного растворения по обрабатываемой поверхности, точности оборудования.

В конце обработки погрешность детали должна быть в пределах допуска.

Погрешность размеров детали зависит от начальной погрешности размеров заготовки, зазора и припуска на обработку.

Кроме того, рабочей поверхности электрода-инструмента придают форму, несколько отличающуюся от той, которую требуется получить в детали. Этот процесс называют корректированием электрода-инструмента.

Различные факторы неодинаково влияют на общую погрешность обработки:

— наибольшее влияние оказывает нестабильность электропроводности электролита, зазора, выхода по току – до 50%;

— отклонения от расчетного режима течения электролита – до 20%;

— упругие и температурные деформации – до 15%;

— погрешности настройки и установки – до 15% от общей погрешности.

Пути снижения погрешности:

1). Форма исходной поверхности заготовки должна иметь минимальный припуск с минимальной его неравномерностью;

2). Уменьшение межелектродного зазора; малые зазоры (0,02…0,05 мм) получают установкой на поверхности инструмента твердых упоров из изоляционных материалов (алмазных игл, абразивных зерен). Для схемы с неподвижными электродами - с периодической перестановкой электродов.

Одним из способов уменьшения межэлектродного зазора является применение импульсного напряжения. В период пауз удается добиться полного выноса продуктов обработки из зазора, стабилизировать температуру, состав электролита.

Импульсный ток используют одновременно с ускоренным сближением и отводом электродов.

Напряжение на электроды подают как в момент сближения электродов, отключая его непосредственно перед их касанием, так и во время отводов электродов после касания.

Или другой способ — чередуют включение напряжения и прокачки электролита, что позволяет стабилизировать режим ЭХО и избежать местных дефектов от неравномерного движения потока электролита.

3). Вибрация электродов применяется совместно с импульсным напряжением или при постоянном токе. Вибрация электродов может осуществляться параллельно или перпендикулярно направлению подачи как с одинаковой, так и с разной амплитудой колебаний по обоим направлениям.

4). Локализация процесса анодного растворения позволяет ограничить прохождение тока через участки заготовки, прилегающие к обрабатываемому, и за счет этого повысить точность формообразования;

5). Длячистовой обработке турбинных лопаток применяют растворы NaCl с малой массовой концентрацией (50…60 г/л). За счет малого количества ионов резко снижается степень рассеяния;

6.) Введение в электролит воздуха и других газов под напором;

7). Применение локальной обработки заготовки отдельными секциями электрода- инструмента, на которые последовательно подают напряжение. Последовательность включения секций направлена против движения электролита, поэтому все продукты отработки удаляются из зазора, минуя работающую секцию;

8). Наиболее широко применяют локализацию обрабатываемого участка путем диэлектрических покрытий детали (например, с помощью фотохимии).

Если бы удалось получить одинаковые режимы обработки по всей обрабатываемой поверхности, то погрешность при изготовлении деталей любой сложности не превышала бы нескольких мкм.

Так при прошивании точных углублений желательно было бы иметь:

— нестабильность напряжения в пределах 0,1…0,2 В;

— скорость подачи электрода-инструмента-до 1%;

— электропроводимость электролита-2%.

Стабилизировать параметры в указанных пределах практически не удается, так как они изменяются по длине зазора.

Наиболее сложно добиться постоянства проводимости электролита, которая зависит от температуры, количества газообразных продуктов обработки. Задача облегчается, если в зазоре отсутствуют газообразные продукты обработки.

Советскими учеными предложены электролиты, в которых водород в атомарном виде сразу вступает в реакцию — такие электролиты называются безводородными.

Это хлорид аммония, дихлорид железа, которые вызывают активную коррозию оборудования.

Удаляют газообразные продукты – отсосом по длине зазора (погрешность снижается в 2…3 раза).

Применение комбинированных способов обработки (электроалмазного, электроабразивного) с механической депассивацией поверхности также позволяет повысить точность ЭХО.

В настоящее время ЭХО позволяет получить:

— при обработке неподвижными электродами со съемом по глубине до 0,2 мм-погрешность не более 0,02 мм, при большей глубине-0,03…0,050 мм;

— при прошивании мелких отверстий (Ø до 2 мм) – точность по 9…10-му квалитету СЭВ;

— при обработке полостей и разрезании-по12…14-му квалитету СЭВ;

— для схем точения точность-8…10-му квалитету;

— при шлифовании металлическими, электроабразивными и электроалмазными кругами точность по 6…7-му квалитету СЭВ.

Качество поверхности

В технологии машиностроения качество поверхности характеризуют:

— геометрическими (микрорельеф) показателями;

— физическими показателями (микротвердость, обезуглероженный слой) слоя материала, прилегающего к поверхности

Шероховатось

Формирование микрорельефа поверхности при ЭХО зависит от:

— структуры материала заготовки;

— состава материала; его температуры;

— скорости прокачки электролита;

— электрических параметров режима.

Все эти факторы постоянно меняются во времени и процесс анодного растворения в каждой точке протекает по-разному.

Если ЭХО выполняют после механической обработки, то в начале процесса анодного растворения микрорельеф повторяет профиль заготовки.

Характер микронеровностей зависит от структуры обрабатываемого материала. Чаще наблюдается межкристаллитноерастравливание, так как зерна растворяются медленнее. Оно и определяет шероховатость поверхности.

Чем мельче зерно, тем меньше глубина межкристаллитногорастравливания.

Глубина микронеровностей зависит от плотности тока. Для большинства сплавов с увеличением плотности тока шероховатость обрабатываемой поверхности снижается.

Чем ниже температура электролита (при той же плотности тока), тем меньше высота неровностей.

В большинстве случаев температура электролита равна 17…37°С. Для обработки титановых сплавов-47°С; для чистовой обработки нержавеющих сталей -4°С.

При обработке в электролитах на базе NaCI шероховатость поверхности различных материалов находится в следующих пределах:

— конструкционных сталей-R_a=0,32…0,1 мкм;

— нержавеющих сталей-R_a=1,25…0,32 мкм;

— титановых сплавов-R_a=2,5…1,25 мкм;

— алюминиевых сплавов-R_a=2,5…0,63 мкм.

Физические свойства поверхности

После ЭХО в поверхностном слое не наблюдается снижение содержания углерода и изменения твердости, отсутствует наклеп. Напряжения повышаются вследствие растравливания — есть концентрация напряжений, так как межкристаллитные углубления имеют меньше радиус закруглений.

Для уменьшения напряжений в поверхностном слое нужно повышать плотность тока, применять охлажденные электролиты, использовать импульсный ток, стабилизировать параметры электролита.

Выделяющийся водород в зазоре приводит к охрупчиванию поверхности и снижению усталостной прочности (особенно у титановых сплавов). Для выноса водорода скорость электролита должна быть не ниже расчетной.

Влияние качества поверхности после ЭХО на механические свойства материала

При эксплуатации деталей на них могут воздействовать статические, динамические (ударные) и циклические (знакопеременные) нагрузки.

Низкая шероховатость поверхности после ЭХО повышает механические свойства материалов, так как качество поверхности одинаково во всех направлениях.

Отсутствие же наклепа поверхности от воздействия инструмента снижает механические показатели, особенно сопротивление усталости.

Ухудшают качество поверхностного слоя микрорастравливание по границам зерен, которое является концентраторами напряжений и наводораживание сплавов.

Предел прочности при статических и ударных нагрузках образцов из конструкционных сталей после ЭХО при растяжении, сжатии, кручении и изгибе такой же, как у механически обработанных образцов.

У образцов из сплавов, склонных к межкристаллитномурастравливанию (никелевых, титановых), предел прочности на растяжение и угол изгиба после ЭХО снижается на 10…15%, поэтому для деталей высоконагруженных конструкций после ЭХО необходимо механически удалять припуск на глубину растравливания:

— для никелевых сплавов припуск-более 0,15 мм;

— для титановых сплавов-более 0,3 мм.

Технологичность деталей при размерной ЭХО

Для более полного использования преимуществ ЭХО необходимо проектировать детали с учетом особенностей процесса анодного растворения сплавов. Следует учитывать, что приЭХО нет разделения на черновые и чистовые операции — при любом режиме ЭХО высота неровностей соответствует чистовым операциям механической обработки, и с возрастанием скорости съема металла шероховатость поверхности снижается. В отличие от механической обработки технологические показания ЭХО даже повышаются с увеличением твердости материала заготовки. Кроме того, при ЭХО инструмент либо вообще не изнашивается, либо изнашивается незначительно.

При использовании ЭХО необходимо удовлетворить следующим требованиям, общим для всех видов заготовок и схем обработки:

1). Поверхность перед ЭХО должна быть очищена от окалины и других неэлектропроводных веществ.

2). В местах, где удаление металла планируют выполнить с применением ЭХО, не допускается местная зачистка поверхности, например, для контроля твердости.

3). ЭХО необходимо проводить после термической обработки заготовки. Это позволяет избежать нарушения точности за счет коробления при термической обработке, предотвращает появления обезуглероженного слоя в готовой детали.

4). При проектировании заготовок припуск не должен быть меньше некоторого предельного значения, определяемого с учетом возможного растворения на обрабатываемых и соседних поверхностях, где металл может раствориться за счет токов рассеяния и ускоренного съема на кромках детали.

5). В технологическом процессе не предусматривают операции и переходы по удалению заусенцев и округлению кромок на поверхностях после ЭХО.

Существуют специфические требования к технологичности для каждой схемы обработки.

При схеме с неподвижными электродами съем металла интенсивно протекает не только в зоне обработки, но и на большом удалении от нее. Например, при удалении заусенцев с зубчатых колес профиль зуба со стороны торца утоняется на 10…30 мкм. Это не влияет на точность зацепления.

При схеме прошивания нужно допускать уклон поверхности по направлению подачи инструмента с уклоном =1…5°.

При изготовлении посредством ЭХО больших сквозных отверстий их целесообразно прошивать тонкостенным трубчатым электродом — инструментом.

При электрохимическом точении необходимо предусматривать плавные переходы между участками с различными диаметрами.

Рисунок 3.11 — Рекомендуемые плавные переходы между участками при точении

Угол выбирают в пределах 45…80°, радиус =3…10 мм, =1…3 мм.

При протягивании погрешность отверстий на концах детали выше, чем на средних участках. Поэтому следует указать в чертежах на концевых участках длиной ℓ =5…30мм возможность увеличения внутреннего диаметра d на 0,030…0,08 мм (при внутреннем протягивании) или уменьшение наружного диаметра D на 0,05…0,1 мм (при наружном протягивании).

При обработке по схеме шлифования следует предусмотреть свободный выход круга за шлифуемую поверхность.

УЛЬТРАЗВУКОВАЯ ОБРАБОТКА МАТЕРИАЛОВ

Ультразвуковые колебания (У.З.) — это упругие волны, распространяющиеся в материальных средах (твердых телах, жидкостях, газах).

По частоте УЗ распространяются от верхней границы диапазона слышимости звуков (≈ Гц) до частоты Гц Упругие колебания во всех диапазонах частот – звуковых и УЗ – подчиняются одним и тем же физическим законам, но в средах, где распространяются УЗ колебания, возникают специфические эффекты, которые во многих областях техники используются для интенсификации различных процессов.

1. Схема ультразвуковой обработки заготовок

Существует несколько схем размерной обработки заготовок.

1.1.Размерная обработка заготовок из твердых хрупких материалов абразивными зернами, движущимися за счет действия УЗ инструмента.

Данный способ применяется для обработки стекла, керамики, ситаллов, кремния, германия, то есть для материалов, обработка которых другими методами затруднена.

Рисунок 4.1 — Схема прошивания отверстий

1 – УЗ преобразователь; 2 – концентратор; 3 – инструмент — пуансон; 4 – суспензия абразивная; 5 – заготовка; 6 – ванна; 7 – насос; 8 – патрубок; 9 – источник тока; 10 – генератор УЗ частоты.

Под пуансоном-инструментом 3 устанавливают заготовку 5 и в зону обработки под давлением подают абразивную суспензию, состоящую из воды и абразивного материала: карбида бора, карбида кремния или электрокорунда.

Инструмент поджимают к заготовке с силой 1…60 H. Обработка заключается в том, что инструмент 3, колеблющийся с УЗ частотой, ударяет по зернам абразива 4, лежащим на обрабатываемой поверхности, со статической силой =30…200 Н; абразивные зерна скалывают частицы материала заготовки 5. Большое число одновременно ударяющихся абразивных зерен, а также высокая частота повторения ударов (до 30 тыс. раз в с.) обусловливает интенсивный съем материала.

Кавитационные явления в жидкости способствуют интенсивному перемешиванию абразивных зерен под инструментом, замене изношенных зерен новыми, а также разрушению обрабатываемого материала.

Прокачивание суспензии насосом исключает оседание абразивного порошка на дне ванны и обеспечивает подачу в зону обработки абразивного материала.

Между пуансоном и заготовкой обеспечивают постоянный зазор 50…80 мкм.

Сообщая инструменту и заготовке различные виды подач (продольную, поперечную) и меняя профиль сечения инструмента, можно прошивать глухие и сквозные отверстия, обрабатывать плоскости, углубления, пазы при прямом и обратном копировании, разрезать заготовки больших размеров, обрабатывать криволинейные и кольцевые пазы по копиру, производить шлифование и полирование.

Рисунок 4.2 — Схема разрезки непрофилированным инструментом – тон кой проволокой

1,7 – катушки; 2 – концентратор; 3 – преобразователь; 4 – проволока — инструмент; 5 – сопло для подачи суспензии; 6 – заготовка.

Принцип работы следующий. Ультразвуковой концентратор 2, соединенный с преобразователем 3, возбуждает колебания в проволоке-инструменте 4, перематываемой с катушки 1 на катушку 7. Заготовка 6 прижимается с небольшим усилием к проволоке 4, а в зону их контакта подается абразивная суспензия из сопла 5.

По такой схеме производят контурное вырезание, обработку пазов и щелей, разрезание заготовок.

1.2. Интенсификация процессов резания при сообщении вынужденных УЗ колебаний металлическим или абразивным режущим инструментом.

Рисунок 4.3 — Схема резания

1 – заготовка; 2 – инструмент; 3 – концентратор; 4 – УЗ преобразователь.

На режущий инструмент 2 подаются УЗ колебания от концентратора 3, соединенного с УЗ преобразователем 4. Режущему инструменту сообщается продольная подача. Заготовка 1 имеет продольную подачу и вращение. В место контакта инструмента и заготовки подается абразивная суспензия.

Такой способ используется при сверлении, зенкеровании, развертывании, нарезании резьб в труднообрабатываемых материалах; при точении и зубодолблении заготовок из вязких металлов, при шлифовании, абразивно-алмазной доводке.

Ультразвуковая обработка позволяет повысить производительность, качество поверхностного слоя, снизить силы резания и крутящий момент. (Например, при нарезании резьбы метчиками крутящий момент уменьшается на 25…50%).

1.3 Очистка шлифовальных кругов Рисунок 4.4 — Схема очистки

1 – преобразователь; 2 – концентратор — инструмент; 3 – шлифовальный круг.

Колеблющийся с УЗ частотой инструмент 2, соединенный с УЗ преобразователем 1, располагается на некотором расстоянии от шлифовального круга 3.

В пространство между кругом и инструментом подается очищающая жидкость, в которой при воздействии на нее УЗ колебаний возникают эффекты, способствующие интенсивной очистке поверхности шлифовального круга от засаливания.

Ультразвуковое упрочнение поверхности

Рисунок 4.5 — Схема ультразвукового упрочнения

1 – заготовка; 2 – инструмент; 3 – концентратор; 4 – преобразователь.

Это чистовая обработка. Ультразвуковой инструмент 2 выполнен в виде шарика, который связан с концентратором 3 колебаний, поступающих от преобразователя 4.

Шарик 2 может быть жестко закреплен (припаян), но может и не иметь жесткого контакта с концентратором.

Инструмент прижимается с небольшим усилием к вращающейся заготовке 1. Ультразвуковые колебания значительно снижают сопротивление пластической деформации поверхностного слоя заготовки 1, который приобретает наклеп.

Особенно эффективен этот способ при изготовлении нежестких тонкостенных деталей.

Обработка мелких деталей свободным абразивом

Данная схема применяется в основном для снятия заусенцев.

Рисунок 4.6 — Схема обработки свободным абразивом

1 – ванна; 2 – абразивная суспензия; 3 – деталь; 4 – инструмент; 5 – концентратор; 6 – преобразователь.

Детали 3 помещаются в ванну 1, в которую заливается абразивная суспензия 2. Ультразвуковые колебания в жидкости возбуждаются инструментом 4, торец которого служит дном ванны. Инструмент соединен с УЗпреобразователем 6 через концентратор 5.

Детали 3 находятся в жидкости во взвешенном состоянии. Для ускорения процесса к жидкости прикладывают статическое давление .Удаление заусенцев происходит в результате кавитационного разрушения и обработки абразивными зернами.

Чтобы спроектировать технологический процесс, рационально конструировать аппаратуру, необходимо знать физический механизм воздействия УЗ колебаний, уметь правильно подобрать, а при необходимости рассчитать УЗ преобразователь: рассчитать, спроектировать и изготовить рабочие инструменты.

Технологические показатели ультразвуковой обработки

Влияние технологических и акустических параметров на размерную обработку

Процесс ультразвуковой размерной обработки зависит от многих технологических параметров, как правило, взаимно влияющих один на другой — твердости и концентрации абразива, частоты и амплитуды колебания инструмента, его износа, статической нагрузки.

Каждый из этих факторов влияет на производительность и качество изготовления.

Материал заготовки в значительной степени определяет характер его разрушения. Все материалы по характеру деформации и разрушения при УЗО разделены на три группы. В основу этого деления положен критерий хрупкости — . Это есть отношение сопротивления сдвигу к временному сопротивлению на разрыв.

Первая группа, — стекло, кварц, ситалл, керамика, германий, кремний, ферриты. При УЗО они практически не подвергаются пластической деформации.

Вторая группа, 1< <2 — твердые сплавы; закаленные, цементированные и азотированные стали, сплавы титана и вольфрама. При УЗО наряду с упругими деформациями происходят и микропластические деформации. Чем большую роль играют пластические деформации, тем хуже обрабатываемость.

Третья группа 1 — почти вся работа абразивных зерен расходуется на микропластическую деформацию поверхностных слоев; разрушения материала почти не наблюдается. Их нецелесообразно подвергать УЗО.

Абразивная суспензия

Зерна абразива по твердости не должны уступать обрабатываемому материалу.

Обычно применяют карбид бора, который хорошо смачивается водой и благодаря сравнительно небольшой плотности удовлетворительно переносится жидкостью.

Карбид кремния, электрокорунд — применяются для изготовления деталей из стекла, германия.

Если производительность обработки стекла карбидом бора принять за единицу, то производительность обработки карбидом кремния — 0,8…0,85, а электрокорундом — 0,7…0,75.

В качестве жидкости обычно используют воду, обладающую малой вязкостью, удовлетворительной смачивающей способностью и хорошими охлаждающими свойствами. В воду добавляют ингибитор коррозии.

Использование добавок, оказывающих химическое действие на обрабатываемый материал — 15%-ного водного раствора сернокислой меди — повышает производительность обработки твердых сплавов в 1,7…2,5 раза.

Размер зерна абразива — ширина зерна под микроскопом. Уменьшение размера абразивных зерен вызывает снижение производительности (особенно если размеры зерна меньше амплитуды колебаний). С другой стороны, чем меньше зерно, тем выше точность изготовления.

Концентрация абразива в суспензии

Оптимальная концентрация — по всей обрабатываемой поверхности укладывается один слой зерен абразива.

При большей концентрации (в несколько слоев) — увеличивается доля работы, идущей на измельчение самих зерен.

Амплитуда и частота колебаний инструмента определяют скорость продольных колебаний инструмента, то есть главного движения резания

, м/с

где f — частота колебаний (16…30кГц);

A — амплитуда колебаний инструмента, мкм.

Чем больше амплитуда и частота колебаний, тем выше производительность ( ).

Оптимальная амплитуда колебаний инструмента связана со средним размером абразивного зерна основной фракции.

При >1 происходит главным образом не внедрение зерен в обрабатываемую поверхность, а их дробление.

Если амплитуда колебаний мала, а зерна абразива крупнее <0,5, импульс ударной силы, воздействующий на зерно, недостаточен для внедрения зерен в обрабатываемый материал и его разрушения.

Максимальная производительность достигается при условии =0,6…0,8.

Предельно допустимая амплитуда колебаний ограничивается, кроме вышеизложенных соображений, усталостной прочностью материала инструмента и концентратора.

Статическая нагрузка. При УЗО инструмент прижимается к поверхности заготовки с постоянной силой . Эта сила (сила подачи) оказывает значительное влияние не только на значение ударных импульсов, но и на состояние зерен и концентрацию абразива под торцом инструмента.

Оптимальное значение зависит от площади и конфигурации инструмента, амплитуды, среднего размера зерен и свойств обрабатываемого материала.

Увеличение (в определенных пределах) приводит к увеличению импульса ударных сил и глубины внедрения зерен абразива, то есть к увеличению производительности.

С другой стороны, увеличение уменьшает расстояние между инструментом и обрабатываемой поверхностью заготовки и ухудшает условия поступления в рабочую зону свежего абразива и удаление из нее продуктов износа.

Точность размерной обработки

Точность УЗ размерной обработки, т.е. стабильность зазора между контурами изделия и инструмента, определяется многими факторами: геометрическая точность станка и его приспособлений, размер зерен абразива, твердость обрабатываемого материала, форма инструмента и размер поперечных колебаний.

Минимальная погрешность ограничивается предельными изменениями размера бокового зазора. Обычно этот размер в 1,5 раза больше среднего размера зерна абразива основной фракции.

В основном изнашивается торец инструмента. Продольный относительный износ (отношение длины изношенной части к глубине обработанной полости, в %) инструмента зависит главным образом от физико-механических свойств заготовки и материала инструмента, толщины стенок инструмента и зернистости абразива.

Поперечный износ происходит вследствие действия абразива, находящегося между боковой поверхностью инструмента и стенками обрабатываемого отверстия — на инструменте появляется конусность.

Особенно увеличивается поперечный износ при использовании кольцевого инструмента с толщиной стенки менее 1 мм. Оптимальная толщина стенки должна быть в пределах 1…1,5 мм.

Интенсивность износа увеличивается при плохих условиях подвода свежей абразивной суспензии и отвода продуктов обработки.

В то же время сила подачи и амплитуда не оказывают существенного влияния на его износ.

Чтобы уменьшить износ инструмента прежде всего необходимо подбирать материал, обладающий достаточной износостойкостью. Например, при обработке стекла инструмент должен быть из твердого сплава, а при обработке твердого сплава – из закаленной инструментальной стали.

Целесообразно выполнять инструменты с обратной конусностью или применять “грибковый’’ инструмент с калибрующей ленточкой высотой 1…3 мм. Причем диаметр калибрующей ленточки должен быть на 0,6…1 мм больше диаметра стержня инструмента.

За счет этого уменьшается сила трения…, улучшается циркуляция суспензии, хорошо удаляются продукты обработки.

Из — за поперечных колебаний инструмента происходит “разбивание” отверстия. Может исказиться и форма отверстия.

Обычно при строгой прямолинейности осей и соосности преобразователя, концентратора и инструмента, а также при точной выверке инструмента и заготовки некруглость отверстий, получаемых при чистовых операциях, не превышает 10 мкм (в неблагоприятных случаях – 30…60 мкм)

Разбивание отверстий возрастает с увеличением размеров абразивных зерен и глубины обработки.

Для уменьшения конусности сквозных отверстий их обрабатывают последовательно с двух сторон.

При сквозном прошивании, сверлении и разрезании используется инструмент, состоящий, из двух участков: чернового и чистового (диаметр чистового больше диаметра чернового участка).

ПриУЗ размерной обработке погрешность изготовления достигает 20 мкм.

Качество поверхности

Шероховатость поверхности при УЗО зависит от размеров зерен абразива, физико-механических свойств заготовки, амплитуды колебаний инструмента, шероховатости поверхности инструмента и типа жидкости, несущей абразив.

Наибольшее влияние на шероховатость оказывает зернистость абразива. Шероховатость пропорциональна зернистости.

Свойства обрабатываемого материала — структура (крупнозернистая) определяют шероховатость.

Чем выше амплитуда колебаний инструмента, тем более шероховатая поверхность получается при обработке.

Если в качестве жидкости, несущей абразив, применить вместо воды машинное масло, то шероховатость поверхности уменьшается, но производительность в несколько раз снижается, ухудшаются условия подвода и циркуляции абразива.

Шероховатость обрабатываемой поверхности зависит и от шероховатости рабочих поверхностей инструмента — неровности инструмента копируются на поверхности заготовки.

При чистовых операциях высота микронеровностей рабочих поверхностей инструмента должна быть в 2…3 раза меньше требуемой высоты микронеровностей детали.

Кроме шероховатости качество обработанной поверхности характеризуется ее структурным состоянием. При УЗО твердых сплавов и закаленных сталей происходит упрочнение поверхностного слоя и появляются сжимающие остаточные напряжения.

При УЗО мелкими шлифпорошками (№3) и микропорошками при амплитудах колебаний 15…20мкм шероховатость поверхности =1,2…0,4 мкм, а при доводке =0,2 мкм.

ПЛАЗМЕННАЯ ОБРАБОТКА

Плазма является состоянием вещества, наиболее распространенном в космосе.

Плазму получают чаще всего в электродуговом разряде, в высокочастотном электрическом поле, с помощью энергии лазерного излучения.

Физические свойства плазмы — высокие значения температур, энтальпия и электропроводность – позволяют осуществлять ряд интересных физических и технических проектов.

В атомной физике, например, “горячая” плазма с температурой выше К рассматривается как средство проведения управляемых термоядерных реакций синтеза.

Функционируют ряд магнитогидродинамических (МГД) генераторов, в которых высокоскоростной плазменный поток служит для прямого преобразования тепловой энергии в электрическую.

Существуют электрореактивные плазменные двигатели.

Плазма нашла применение в металлургии, в сварочном производстве.

Для технологических целей используют так называемую “низкотемпературную” плазму с температурой … К, представляющую собой частично ионизированный газ.

Для получения плазмы разработаны плазмотроны или плазменные горелки.

В дуговых плазмотронах плазма с требуемыми характеристиками может быть получена при различных видах взаимодействия дуги с плазмообразующим газом: аргоном, гелием, азотом, водородом, кислородом и воздухом .

Стабилизация дуги в плазмотроне может осуществляться аксиальным потоком газа, создающим слой, ограничивающий столб дугового разряда.

При тангенциальной подаче газа в дуговую камеру плазмотрона стабилизация дуги достигается за счет вихревого потока плазмообразующего газа.

Весьма эффективным способом стабилизации дугового разряда в плазмотроне и повышения его удельных энергетических характеристик является ограничение диаметра столба дугового разряда охлаждаемой стенкой.

Плазмообразующий газ, используемый в плазмотроне, в значительной мере определяет технологические возможности плазменной струи, и его нужно выбирать в зависимости от целей процесса.

Молекулярные газы – азот, водород, кислород и воздух позволяют увеличить эффективность нагрева за счет реакций диссоциации (разложения)-ассоциации (объединения). При этом происходит дополнительное поглощение теплоты в столбе дугового разряда.

При попадании на обрабатываемую поверхность плазмообразующий газ ассоциирует (превращается из атомного в молекулярный); при этом выделяется теплота, затраченная на его диссоциацию.

Температура плазмы

Температура плазмы является важнейшей характеристикой, и в реальных плазмотронах она может достигать (2…5)·10⁴ К . В ряде случаев плазму можно рассматривать как идеальный газ, так как при высоких температурах концентрация частиц в плазме, несмотря на сравнительно высокие давления, мала и для нее можно считать справедливым уравнение идеального газа, в том числе основной закон газового состояния:

P∙V=R∙T

где p – давление газа,Па;

V – объем, м³;

T – температура, К;

R–универсальная газовая постоянная, (R=8,31 Дж/моль·К).

Для плазмы это уравнение удобнее представить в следующей форме:

,

где – суммарная концентрация заряженных и нейтральных частиц в плазме;

N – число Авогадро (N=6,02· – число молекул или атомов в 1 моле вещества).

Моль – количество вещества системы, содержащей столько же структурных элементов, столько содержится атомов в углероде – 12 массой 0,012 кг.

Авогадро закон, открытый в 1811 г. итальянским физиком и химиком, гласит – в равных объемах идеальных газов при одинаковых давлениях и температурах содержится одинаковое число молекул.

При рассмотрении плазмы как совокупности заряженных частиц различных знаков (электрон – “–“ и ионов – “+”) вводят понятие:

• электронной температуры — ;

• ионной температуры — .

Такой подход позволяет более детально рассмотреть энергию отдельных частиц, составляющих плазму.

В отличие от обычной газовой смеси, все частицы которой имеют одинаковую среднюю кинематическую энергию беспорядочного теплового движения, у электронов, ионов и нейтральных атомов эта энергия различна.

Электронная температура (энергия электрона) всегда выше энергии ионов и нейтральных атомов из-за большей подвижности электрона.

При понижении плотности (давления) плазмы разница электронной температуры и ионной температур может достигнуть нескольких порядков.

Для плазмы, используемой в технологических устройствах, где давление достаточно велико и концентрация частиц, составляет более см^-3, можно с достаточной для практических целей точностью считать, что , то есть температуры всех частиц равны.

Такая плазма носит название термической.

Рисунок 1 — Зависимость температур от давления (плотности плазмы)

Энтальпия плазмы

Это важная энергетическая характеристика плазменной струи и зависит как от температуры, так и от рода применяемого плазмообразующего газа.

Энтальпия моноатомных газов увеличивается с повышением температуры благодаря повышению энергии теплового движения атомов газа и их ионизации.

У молекулярных газов в процессе нагрева энтальпия газа даже при сравнительно невысоких температурах резко возрастает за счет процесса диссоциации, а затем уже начинается повышение энтальпии за счет ионизации.

Поэтому для технологических процессов, когда не нужны очень высокие температуры (свыше 10⁴ К), в качестве плазмообразующих газов целесообразно использовать азот, водород, кислород и воздух.

Для получения более высоких температур необходимо применять плазму одноатомных газов (аргона, гелия).

На энтольпию плазменного потока сильно влияет расход плазмообразующего газа. Увеличение расхода газа приводит, как правило, к снижению эффективности теплопередачи от дугового или высокочастотного разряда к газовому катоду, и энтальпия газа уменьшается.

В технологических процессах используют водородно-азотную или водородно-аргоновую смесь газов, в которых объемное содержание водорода составляет 10…20 %.

Технология плазменной обработки

Плазменный нагрев

Нагрев деталей и материалов до невысоких температур (ниже точки их плавления) с помощью плазменных горелок используется сравнительно редко, однако в последнее время все чаще применяется плазменно-механическая обработка металлов, где осуществляется такой нагрев. Сущность метода состоит в том, что при обработке, например, резанием высокопрочных металлов и сплавов перед резцом устанавливается плазмотрон, нагревающий узкую зону обрабатываемого материала.

Прочность снижается, а пластичность повышается. Можно без ущерба для качества поверхности увеличить глубину резания и подачу. Нет окисления поверхности.

Применение плазменного нагрева при обточке цилиндрических заготовок диаметром 100…350 мм из жаропрочных никелевых сплавов, вольфрама и молибдена показало, что производительность обработки увеличивается в 6…8 раз при уменьшении износа резцов в 5…6 раз. Скорость съема металла при этом может достигать 3…4 кг/мин.

Плазменный нагрев до более высоких температур может приводить к оплавлению шероховатостей механически обработанной поверхности, улучшая тем самым технологические показатели.

Плавление вещества

Плавка металлов и сплавов, а также неметаллических материалов с использованием плазменного нагрева получило широкое распространение. Данный способ отличается высокой стабильностью, простотой и гибкостью технологического процесса. Плазменная плавка позволяет использовать самые различные среды и исходные материалы при минимальных потерях легирующих компонентов.

Рисунок 2 — Схема печи для плавки в водоохлаждаемый кристаллизатор

Наиболее распространена схема печи для плавки в водоохлаждаемый кристаллизатор. В таких печах обычно выплавляют сложнолегированные сплавы, например, инструментальные сплавы. При этом, благодаря небольшому содержанию в металле неметаллических включений в виде оксидов и кислорода, его механические свойства (особенно пластичность) заметно повышаются.

Плазменный нагрев используется также для плавки металла с последующим измельчением расплава и кристаллизацией его в виде малоразмерных капель.

Рисунок 3 — Схема плавки с получением малоразмерных капель

1 – тигель; 2 – кристаллизатор.

Плазменный нагрев используется также для плавки металла с последующим измельчением расплава и кристаллизацией его в виде малоразмерных капель.

В дальнейшем этот материал применяют как исходный продукт порошковой металлургии, для наплавки и т.д.

Измельчение металла чаще всего получают разбрызгиванием расплавленного металла при вращении тигля 1. Попадая на холодные стенки кристаллизатора 2, капли жидкого металла затвердевают и в виде гранул собираются на дне камеры, причем большая скорость охлаждения расплавленного металла позволяет получать неравновесные структуры со специфическими свойствами.

Сварка и наплавка

Сварка с использованием плазменных источников энергии применяется все шире, так по сравнению с обычной свободно горящей электрической дугой удается получить большую глубину проплавления и меньшую ширину шва и соответственно более узкую зону термического влияния. Процесс идет с большей скоростью при улучшении качества сварного шва.

Плазменной сваркой за 1 проход сваривают детали толщиной до 20мм, что дает возможность существенно повысить производительность процесса, уменьшить возникающие при сварке деформации и получить в конечном счете более работоспособное сварное соединение.

Микроплазменная сварка является разновидностью процесса плазменной сварки и характеризуется силой тока плазмы порядка 0,1…10 А. Толщина свариваемых заготовок обычно составляет 0,025…1,0 мм (фольга) – другими методами невозможно сварить (детали радиоэлектронной техники).

Плазменная наплавка используется для нанесения на обрабатываемые заготовки поверхностных слоев (чаще всего из металлов и сплавов, отличных по составу от материала подложки) с целью повышения эксплуатационных свойств деталей. Для наплавки обычно применяют материалы со специальными свойствами (высокой твердостью, повышенной износостойкостью, коррозионной и термостойкостью).

Наплавка позволяет получать изделия из дешевых конструкционных материалов с рациональным распределением свойств по отдельным элементам.

При этом значительно снижается расход дорогостоящих легирующих материалов. Толщина наплавленных за 1 проход слоев может достигать 4…5 мм; возможно многослойная наплавка.

Наплавку проводят плазменной струей, что дает возможность регулировать глубину проплавления основного металла посредством изменения расстояния между горелкой и заготовкой. Чтобы обеспечить защиту ванны расплавленного металла от взаимодействия с атмосферными газами, в качестве плазмообразующих газов используют аргон и водород.

Наплавка рабочих лезвий инструментов позволяет экономить дефицитные и дорогостоящие инструментальные стали (Р18, Р6М5). Масса наплавленной инструментальной стали (на обычную углеродистую сталь) обычно не превышает 4…5 % от общей массы инструмента.

С помощью плазменной наплавки в ремонтных целях восстанавливают дорогостоящие узлы и детали (штампы, пресс-формы, валки и т.д.) металлообрабатывающего оборудования.

Напыление

Существует две основные разновидности процесса:

• подача материала в плазмотрон в виде прутка или проволоки;

• подача материала в плазмотрон в виде порошка (оксиды, нитриды, карбиды).

Плазменным напылением обычно получают слой малой толщины ( … м).

Металлические покрытия, получаемые с помощью плазменного напыления, чаще всего состоят из вольфрама, молибдена, никеля, кобальта и др. металлов и сплавов с достаточно высокой температурой плавления.

Производительность процесса может достигать нескольких напыляемого материала в час, а плотность напыляемого слоя составляет обычно 80…90 % от плотности монолитного металла. Тонкие (до 0,1…0,3 мм) напыленные слои имеют большую плотность и лучшее сцепление с напыляемым подслоем, чем более толстые.

Покрытия по назначению бывают разными: жаростойкие, коррозионостойкие, защитные. Для последних используют оксиды алюминия и циркония.

Напыление повышает стойкость кокилей, изложниц для литья; износостойкость фильер для протягивания (волочения) молибденовых прутков при напылении увеличивается в 5…10 раз.

Одной из разновидностей процесса плазменного напыления является ионная технология нанесения покрытий с помощью плазменных ускорителей.

Рисунок 4 — Схема ионной технологии нанесения покрытий

1 – катод водоохлаждаемый; 2 – плазма; 3 – обрабатываемая поверхность.

В промышленности ионная технология используется для увеличения срока службы металлорежущего инструмента и штампов. При этом износостойкость инструмента увеличивается в 2…5 раз.

Материал покрытия получают испарением в вакууме водоохлаждаемого катода 1. Затем его ионизируют в электрическом разряде и превращают в плазму 2, которая с помощью электромагнитного поля ускоряется и фокусируется в поток по направлению к обрабатываемой поверхности 3.

Значительная энергия, которую можно сообщить ионам в плазме, позволяют глубоко внедрять их в обрабатываемые поверхности и получать прочные поверхностные покрытия (и металлические пленки).

Плазменным формованием деталей с помощью напыления получают тонкостенные детали и заготовки сложной геометрической формы из трудно обрабатываемых металлов (вольфрама, молибдена). Материал в виде плазмы напыляют на оправки или шаблоны, которые в дальнейшем могут или растворяться химическим путем (если они изготовлены из алюминия или меди), или разбираться на части.

Как правило, полученный после напыления слой хрупок, имеет слоистую структуру. После отжига он приобретает равновесную мелкозернистую структуру и механические свойства, позволяющие подвергать его механической обработке и использовать в конструкциях.

Формование деталей плазменным напылением используется для тиглей, деталей ракетных двигателей и МГД-генераторов.

Резка

Это термическая резка, независимая от свойств разрезаемых материалов. Возможность разрезания заготовок значительной толщины (до 250…300 мм), получение резов любой конфигурации.

Существуют две основные разновидности плазменной резки: разделительная и поверхностная – строжка (рисунок 7.9.)

При ручных работах используется напряжение в 180 В, для машинных работ-500 В.

При строгании и точении (для удаления деформированного слоя) плазменную головку ставят под углом 40…60° к обрабатываемой поверхности.

При микроплазменной резке используется величина тока в 5…100 А для разрезания заготовок толщиной 6…8 мм. При этом ширина реза получается не более 0,8…1,0 мм.

КОМБИНИРОВАННЫЕ МЕТОДЫ ОБРАБОТКИ МАТЕРИАЛОВ

Электрофизические и электрохимические способы изготовления деталей имеют ряд существенных преимуществ перед традиционными методами. К ним можно отнести:

— высокая точность ЭЭО;

— большая производительность электрохимической размерной обработки;

— хорошее качество поверхности, получаемой ультразвуковым методом.

Однако технологи хотели бы, чтобы существовали методы обработки, содержащие все вышеперечисленные достоинства. С этой целью стали оптимизировать процессы путем комбинации известных методов, усиливая их положительные черты. Большинство известных комбинированных методов обработки предложено, исследовано и применено в производстве советскими учеными и инженерами.

При совместном использовании анодного растворения металла с воздействием абразива – (анодно-абразивная обработка) – на обрабатываемую поверхность, твердые частицы (абразивные зерна или наполнитель) повреждают пленку, активируя тем самым процесс электрохимической обработки. Размеры абразивных зерен, определяющие межэлектродный зазор, как правило, не превышают десятых долей мм. При таких малых зазорах плотность тока будет значительно больше, чем в случае размерной ЭХО. Резко возрастает скорость съема металла в зоне действия абразивных зерен инструмента.

Кроме того, часть припуска удаляется механическим шлифованием. В отличие от обычного шлифования при анодно-абразивной обработке (ААО) на поверхности заготовки не образуется более прочный наклепанный слой, а производительность шлифования повышается.

Следовательно, интенсивность съема металла при анодном растворении возрастает вследствие механического удаления пассивирующей пленки и ускорения процесса выноса продуктов обработки из зазора, а электрохимическое растворение части металла, в свою очередь, способствует повышению скорости механического шлифования. Кроме указанных составляющих съема металла при малых зазорах может иметь место электроэрозионный процесс.

Различают несколько разновидностей использования анодно-абразивной обработки:

1) абразивнонесущим токопроводящим инструментом;

2) электронейтральным инструментом и свободным абразивом.

В первом случае инструмент имеет форму кругов, брусков, применяемых при механическом шлифовании или повторяющих форму обрабатываемых участков детали.

Однако во всех случаях связка абразивного инструмента должна быть электропроводной.

Различают электро-абразивное и электро-алмазное шлифование, полирование, притирку.

Рисунок 1 — Схема анодно — абразивного шлифования

1 – абразивное зерно; 2 – инструмент (круг); 3 – заготовка.

При шлифовании инструмент 2 выполнен в форме абразивного или алмазного круга на металлической связке. Абразивные зерна 1 могут быть равномерно распределены по всему объему инструмента 2 или располагаться только на его поверхности.

Алмазные зерна обычно закрепляют в форме кольца на внешней окружности инструмента или вдавливают их в наружную поверхность оправки. Инструмент 2 и заготовку 3 подключают к полюсам источника питания.

В процессе обработки инструмент вращают и подают на врезание со скоростью .

Межэлектродный зазор S ограничен выступанием зерен абразива 1, поэтому нет необходимости применять сложные следящие системы для поддержания постоянных зазоров.

Электролит подают поливом на поверхность, либо прокачивают через внутреннюю полость инструмента. В последнем случае он должен иметь поры для протекания жидкости. Благодаря вращению инструмента электролит протекает через зазор со скоростью до 15...20 м/с.

Следовательно, в пространстве между инструментом 2 и заготовкой 3 имеются все условия для интенсивного процесса ЭХО: малые зазоры, достаточная скорость протекания электролита, возможность протекания тока.

Выступающие зерна в зависимости от усилия прижима инструмента к заготовке удаляют как срезаемый материал заготовки, так и продукты анодного растворения.

Во втором случае, когда используют диэлектрический абразивный круг 1, то напряжение подают на специальный электрод-инструмент 3. Такую разновидность метода называют ААО электронейтральным инструментом.

Рисунок2 — Схема анодно-абразивного шлифования электронейтральным инструментом

1 – абразивный круг; 2 – заготовка; 3 – электроинструмент.

Он может применяться для шлифования, полирования, притирки, хонингования, суперфинишных операций.

Здесь уже необходимы специальные устройства для поддержания зазора между электродом-инструментом 3 и заготовкой 2.

С этой целью обычно используют диэлектрические упоры. При шлифовании абразивный инструмент (круг) 1 имеет скорость до 25...30 м/с.

Круг и электрод-инструмент 3 подают к заготовке 2 со скоростью . Электролит поступает через зазор со скоростью .

Процесс съема металла протекает за счет абразивного съема и анодного растворения.

При операции притирки вместо абразивного инструмента может применяться притир из пластмассы или дерева. Притир служит только для механического удаления пленки оксидов с обрабатываемой поверхности и способствует ускорению процесса анодного растворения заготовки.

При ААО несвязанным абразивом абразивные зерна не связаны с заготовкой или инструментом. Их называют свободными. Зерна могут и не иметь абразивных свойств, тогда их называют наполнителем.

Рисунок 3 — Схема анодно-абразивной обработки свободным абразивом

1 – заготовка; 2 – свободный абразив; 3 – инструмент.

Абразивные зерна или наполнитель 2 вместе с электролитом подают в зазор между токопроводящим инструментом 3 и заготовкой 1.

Абразив перемещается инструментом со скоростью , удаляет часть припуска и вместе с электролитом выносит продукты анодного растворения из зазора. Требуемый зазор поддерживается абразивными зернами, находящимися между инструментом 3 и заготовкой 1.

Если необходимо только удалить пленку, вызывающую пассивацию обрабатываемой поверхности, применяют наполнитель из фарфоровых, стеклянных или пластмассовых шариков, диаметр которых меньше заданного значения зазора между инструментом и заготовкой.

Рисунок4 — Схема подачи наполнителя к заготовке

1 – сопло; 3 – дозатор; 2 – наполнитель; 4 – заготовка.

Если область обработки удалена от инструмента, то наполнитель 2 могут подавать струей электролита или посредством центробежных сил, возникающих при вращении заготовки, например, крыльчатки вентилятора или колеса насоса.

При подаче наполнителя струей электролит прокачивают со скоростью через сопло 1. В струю из дозатора 3 вводят наполнитель 2, который приобретает скорость и транспортируется струей к обрабатываемой поверхности заготовки 4.

Для повышения электропроводности среды наполнитель может быть изготовлен из токопроводящих материалов: шариков из металла или графитовых композиций. Перед повторным использованием электролит отделяется от наполнителя (например, с помощью сита).

К комбинированным методам относится электроэрозионно-химическая обработка.

Рисунок5— Схема комбинированного электроэрозионно-химического метода

1 – электрод -инструмент; 2 – заготовка.

В данной схеме электрод инструмент 1 и заготовку 2 подключают к двум источникам:

— генератору постоянного напряжения, применяемому для размерной электрохимической обработки (ЭХО);

— генератору импульсов, применяемому для электроэрозионной обработки (ЭЭО).

Иногда используют один источник питания, в котором формируется требуемая форма напряжения. В качестве рабочей среды применяют электролит.

С помощью этого метода получают отверстия, углубления пазы. Скорость подачи электрода- инструмента в несколько раз выше, чем при ЭЭО и ЭХ прошивании.

Совмещают также электрохимическую (ЭХО) и ультразвуковую обработку (УЗО).

Рисунок 6 — Схема совмещения ЭХО и УЗО

1 – ультразвуковой преобразователь; 3 – сопло для подачи суспензии;

2 – инструмент-электрод; 4 – заготовка.

Съем металла с заготовки 4 происходит в среде электролита с абразивными зернами.

Суспензия поступает из сопла 3 со скоростью в межэлектродный зазор S, который регулируется размерами зерен.

Инструмент 2 кроме поступательного перемещения к заготовке 4 колеблется вдоль оси с ультразвуковой частотой. Эти колебания передаются инструменту от ультразвукового преобразователя 1.

Процесс удаления материала происходит как за счет скалывания частиц заготовки 4, так и за счет анодного растворения припуска.

Использование ЭХО с наложением УЗ колебаний резко повышает производительность процесса и снижает износ инструмента (приУЗ обработке).

При изготовлении круглых отверстий можно использовать абразивонесущий инструмент. Заготовка вращается, а инструменту, который выполнен в форме абразивного круга с отверстием для подвода электролита или имеет пористую конструкцию, сообщают ультразвуковые колебания. Электролит прокачивается с определенной скоростью в зону обработки.

Ультразвуковые колебания используются при светолучевой обработке. На заготовку, в которой с помощью лазерного луча выполняются отверстия, подают УЗ колебания, обычно продольные. При действии ультразвука расплавленный металл, образующий наплыв вокруг кромки обрабатываемого отверстия, не затекает в отверстие, а распыляется. Это повышает точность формы и размеров отверстий.

При обработке алюминия, нержавеющей стали и бронзы с воздействием УЗ колебаний (частотой 20 кГц, амплитудой 20...40 мкм) наибольший эффект достигается при обработке алюминия, наименьший – при обработке бронзы. С увеличением амплитуды колебаний эффект растет. Этот метод может быть применен и при светолучевой резке.

Если пространство межэлектродного промежутка при ЭХО облучить лазером, то резко возрастает скорость анодного растворения. Причем, возникает возможность ускорять съем металла с тех участков, где припуск максимальный. Благодаря этому можно повысить точность изготовления деталей.

Такой метод комбинированной обработки называют электрохимико-лучевым. В месте облучения необходимо предусмотреть прозрачное окно из материала, устойчивого к воздействию тепла и струи электролита.

Луч, попадая в зону протекания процесса анодного растворения, нагревает электролит и повышает его электропроводность. Соответственно возрастает плотность тока, то есть ускоряется съем металла с заготовки.

Недостатком данного метода является сильное поглощение лучевой энергии электролитом, особенно загрязненным.

При использовании комбинированных методов применяют в основном те же составы электролитов, что и при электрохимической размерной обработке. Иногда к ним добавляют антикоррозийные компоненты.

Технологические показатели

К технологическим показателям комбинированных методов обработки материалов относятся: точность обработки, качество поверхности, производительность, режим обработки, износ инструмента.

Точность обработки

Анодно-абразивный метод используется как для черновых, так и для чистовых операций. При черновой обработке режимы выбирают исходя из условия получения максимальной производительности. Для чистовых операций необходимо обеспечить высокую точность и хорошее качество обработанной поверхности.

Погрешность после электро-абразивного шлифования находится в пределах 0,02...0,05 мм, а после электро-алмазного — 0,01...0,02 мм.

Погрешность (для сравнения) алмазного шлифования составляет 1...5 мкм. Снижение точности при наложении тока объясняется повышенным съемом металла на кромках и удалением его с поверхности, которая обработана абразивом начисто.

Для повышения точности обработки перед последними ходами инструмента ток выключают и осуществляют выхаживание.

Электроэрозионно-химический метод позволяет получить такую же точность размеров, как ЭЭО и ЭХО. При небольшой глубине отверстий погрешности не превышают 0,1...0,3 мм.

При наложении УЗ колебаний погрешность размеров составляет 0,1...0,15 мм. Это значительно хуже, чем при обычной ультразвуковой обработке, где погрешности не превышают 0,05 мм.

Качество поверхности

Из-за постоянного обновления абразивных зерен усилия резания при анодно-абразивной обработке (ААО) в 1,5...2,0 раза ниже, чем при шлифовании. При этом снижается наклеп поверхности, не образуются микротрещины. Металл, снимаемый с заготовки, не налипает на инструмент – исключается сильный нагрев из-за трения контактных поверхностей и не возникают местные прижоги.

Такие дефекты особенно опасны для высоконагруженных деталей, работающих в условиях знакопеременных нагрузок (зубчатых колес, элементов шлицевых соединений).

Отсутствие шлифовальных прижогов позволяет повысить ресурс деталей. Шероховатость поверхности после электро-алмазной и электро-абразивной обработки уменьшается из-за анодного растворения вершин микронеровностей.

Средняя высота неровностей может быть определена по зависимости:

, мкм

где – высота неровностей после шлифования, мкм;

=0,1...0,5 – коэффициент, учитывающий скругление выступов при наложении тока.

С целью повышения точности последние ходы выполняют без тока и тогда шероховатость электро-абразивной и электро-алмазной обработки близка к получаемой после шлифования инструментом той же зернистости.

Если применяют электрически нейтральный инструмент, то обработку все время выполняют, не выключая тока. Это обеспечивает получение минимального наклепа, отсутствие прижогов поверхности, снижение высоты неровностей до =0,1...0,15 мкм.

При обработке свободным абразивом удается получить шероховатость штампованных или литых деталей не ниже =4,5 мкм.

Такие операции позволяют механизировать ручной труд при доводке труднодоступных поверхностей.

Электроэрозионно-химический метод дает возможность получит у стальных деталей закаленный поверхностный слой, благодаря которому повышается их износостойкость. Толщина этого слоя несколько меньше, чем после электроэрозионной обработки (ЭЭО).

Однако вследствие разрядов заметно ухудшается шероховатость поверхности по сравнению с ЭХО.

На черновых операциях средняя высота неровностей при обработке сталей =100...150 мкм, при чистовых режимах =2...2,5 мкм.

При наложении ультразвуковых колебаний на электрохимический процесс шероховатость несколько снижается по сравнению с обычной УЗО. Это объясняется скруглением вершин выступов.

Облучение зоны обработки лазером не оказывает заметного влияния на качество поверхности.

Производительность

Все комбинированные методы ускоряют процесс съема металла.

При черновых режимах ААО съем металла происходит в основном за счет эрозии. Черновая обработка выполняется при повышенных напряжениях.

При использовании электронейтрального инструмента скорость съема возрастает из-за анодного растворения и, главное, из-за интенсификации процесса резания абразивным инструментом.

Производительность процесса ААО с применением свободного абразива или наполнителя в несколько раз выше, чем при аналогичных операциях механической обработки.

Скорость съема металла при электроэрозионно-химическом методе может быть оценена зависимостью:

где – суммарная сила тока через межэлектродный промежуток, А.

– коэффициент, учитывающий материалы электродов, режим обработки и условия эвакуации продуктов обработки;

Значение зависит прежде всего от глубины получаемой полости или отверстия. Так, в начале процесса скорость подачи электрода-инструмента может достигать 1,5 мм/с ( =20...30), но уже на глубине 2...4 мм она снижается в 5...10 раз. Скорость подачи электрода-инструмента зависит от скорости прокачки электролита.

Скорость съема металла при наложении УЗ колебаний на ЭХО может быть в несколько раз выше, чем при УЗО

где =3...12 – коэффициент, учитывающий изменение скорости съема металла при наложении тока.

Если УЗ колебания накладывают на абразивонесущий инструмент, то скорость процесса по сравнению с обработкой без ультразвука возрастает на 20...50 %.

Скорость анодного растворения при облучении лазером может возрасти в 15...20 раз.