Глава 5. Электрофизические и электрохимические технологии изготовления деталей.

Глава 5. Электрофизические и электрохимические технологии изготовления деталей.

Электрофизические и электрохимические технологии (ЭФ ЭХ - технологии) создавались как альтернатива технологиям резания, где последние либо давали неудовлетворительные результаты, либо оказывались вовсе не пригодными. Речь идет об обработке очень прочных и вязких или очень твердых и очень хрупких материалов.

       Разработаны и опробованы десятки ЭФ ЭХ – технологий, но наибольшее применение получили следующие:

- электроэрозионные технологии;                                                                                    - анодно-механические технологии;                                                                               - электрохимические технологии;                                                                                 - электрофизические технологии;                                                                                         - ультразвуковые технологии;                                                                                                                                       - светолучевая обработка;                                                                                                              - электроннолучевая обработка;                                                                                                - плазменная обработка.

Рассмотрим в вышеизложенной последовательности основные принципы этих технологий, а также их возможности, достоинства и недостатки.

      

Электроэрозионные технологии

Первая электроэрозионная установка была создана в 1942году в блокадном Ленинграде супругами Лазаренковыми. К сожалению дальнейшее развитие и совершенствование этой удивительной технологии происходило и продолжается без нашего участия и современное оборудование вместе с современными технологиями этого принципа приходиться заказывать фирме «АЖИ», а позднее фирме «Шарми технолоджи».

Электроэрозионная обработка основана на физическом явлении, при котором материал одного или обоих электродов под действием происходящего между ними электрического импульсного разряда разрушается и на поверхности электродов образуются лунки (рис. 5.1). Причина появления лунок - локальный нагрев электродов до весьма высокой температуры. При сближении двух электродов и подключении к ним напряжения, достаточного для пробоя образовавшегося межэлектродного промежутка, возникает электрический разряд в виде узкого проводящего канала (столба) с температурой, измеряемой тысячами и десятками тысяч градусов. У оснований этого канала наблюдается разрушение (оплавление, испарение) материала электродов. Жидкая среда обеспечивает возникновение динамических усилий, необходимых для удаления разрушаемого материала; охлаждая электроды, жидкость стабилизирует процесс. Наиболее часто в качестве среды применяют нефтепродукты: трансформаторное и веретенное масла, керосин, но еще лучше дистиллированную воду.

Рис. 5.1 Схема разрушения электродов при электроэрозионной обработке:
1 - электрод-инструмент; 2 - рабочая жидкость; 3 - обрабатываемая заготовка.

Весь цикл искрового разряда наглядно представлен на рис. 5.2 в виде условных этапов этого процесса.

Рис. 5.2 Условная схема «Этапов» искрового разреза.

Основными разновидностями электроэрозионного метода являются электроискровая и электроимпульсная обработка. Электроискровая обработка отличается широким диапазоном режимов обработки - от черновой производительностью 1,5 - 10 мм3/с при шероховатости обработанной поверхности Rz = 160 - 40 мкм, до отделочной, производительностью около 0,001 мм3/с при шероховатости поверхности Ra = 1,25 - 0,16 мкм.
Характерные черты этого процесса: сравнительно низкая производительность обработки, большой износ электродов-инструментов, применение преимущественно релаксационных схем генерирования импульсов длительностью 10 - 200 мкс при частоте 2 - 5 кГц, использование прямой полярности, образование на обрабатываемой поверхности тонкого дефектного слоя толщиной 0.2 - 0.5 мм на черновых и 0.02 - 0,05 мм на чистовых режимах. Значительный износ электродов ограничивает технологические возможности этого метода.
Электроискровой метод применяется в приборостроении и инструментальном производстве при обработке заготовок небольших размеров, изготовлении твердосплавных матриц, штампов, обработке отверстий малого диаметра, «шлифовании», «растачивании» профильными электродами-резцами. Инструмент является катодом, а обрабатываемая заготовка - анодом. Напряжение сети при обработке не превышает 250 В.
Обычно профиль инструмента соответствует профилю обрабатываемого контура (рис. 5.3, а), но возможно вырезание непрофилированной проволокой различных контуров (рис. 5.3,6). Материал инструмента чаще всего - медь Ml, M2, медный сплав МЦ-1, алюминий и его сплавы.
Особенностью процесса является значительный износ инструмента (износ катода соизмерим с износом анода).  Классическая траектория перемещения электрода-инструмента - вертикальное поступательное движение. Отсюда формы и размеры поперечного сечения обработанных поверхностей соответствуют форме и размерам поперечного сечения катода – инструмента (рис. 5.3 -а). Однако формы обработанных поверхностей можно усложнять за счет усложнения траектории перемещения электрода инструмента (рис. 5.3 – б и в).

 

Рис. 5.3 Схемы электроэрозионной обработки: а – при прямолинейном вертикальном перемещении катода – инструмента; б, в, - при усложненных траекториях перемещения инструмента.

Электроимпульсная обработка. Режимы электроимпульсной и электроискровой обработки существенно различны. При электроимпульсной обработке применяют пониженные напряжения и относительно большие  значения средних токов, а частота тока, питающего разрядный межэлектродный промежуток, стабильна.
Электроимпульсная обработка характеризуется: применением униполярных импульсов тока длительностью 0,5 - 1,0 мкс, скважностью 1-10; высокой производительностью: 100-300 мм3/с на грубых режимах с большой шероховатостью обработанной поверхности и, на более мягких режимах, с шероховатостью поверхности Rz = 80 - 40 мкм; малым относительным износом электродов-инструментов, составляющим для графита 0,1- 0,5%; применением обратной полярности (присоединения электрод-инструмента к положительному полюсу источника тока); применением в качестве источника тока преимущественно машинных генераторов импульсов низкой и средней частоты (400-3000 Гц); работой обычно с низким напряжением (25-30 В) и большой силой тока (50-5000 А).

 

Для примера опишем характеристики электроэрозионного 5-ти координатного проволочно-вырезного станка с ЧПУ мод. СКЭ250Ф5. Он предназначен для обработки электродом-проволокой любых электропроводящих материалов, используемых при изготовлении разнообразных деталей сложного профиля как с вертикальной (цилиндрической), так и с наклонной (конической) образующей, в том числе профилей с переменным углом наклона и с различными контурами в верхней и нижней плоскостях.

Обрабатываемые изделия.

• Инструменты - матрицы вырубных и гибочных штампов, пресс-форм; дюзы для экструзии; фасонные резцы, фрезы, шаблоны; электроды для электроэрозионной прошивки.
• Детали электронных приборов - резонаторы замедляющих систем, электроды и т. п.
• Детали машин - шестерни, кулачки, форсунки.

Компьютерное ЧПУ обеспечивает графический контроль контуров детали с визуализацией процесса обработки в реальном режиме времени, позволяет просматривать и редактировать управления процессом во время обработки. Сам станок изображен на рисунке 5.4.

Рис.5.4. "Электроэрозионный 5-ти координатный проволочный вырезной станок с ЧПУ мод. СКЭ250Ф5.

Ниже в таблице 5.1 представлены его технические характеристики.

Таблица 5.1.

Рис. 5.5. Принципиальная схема анодно-механической установки и процесса обработки. 1- электрод-инструмент; 2 – рабочая жидкость; 3 – заготовка анод; 4 – продукты анодного разрушения материала заготовки; 5 – межэлектродный промежуток.

Процесс анодно-механической обработки зависит от электрического режима (плотности тока, напряжения) и механических параметров (давления на обрабатываемую поверхность, скорости движения инструмента). На рисунке (см. выноску /) показана одна из предполагаемых схем процесса.
Электролитический режим определяет производительность процесса и качество обработанной поверхности. Напряжение источника тока обычно составляет 14-28 В, плотность тока в А/см2 колеблется от десятых долей-на чистовых операциях до нескольких сотен-на черновых.
Давление инструмента Р обусловливает величину межэлектродного зазора 5 и связанного с ним электрического сопротивления. Зависимость между ними определяет съем металла, силу тока и рабочее напряжение.
Скорость перемещения инструмента относительно обрабатываемой поверхности влияет на скорость и степень нагрева поверхностного слоя металла заготовки и соответственно на его структурные изменения, а также на шероховатость поверхности. Скорость инструмента составляет 0,5 - 25 м/с, а сила его прижима 50-200 кПа (0,5-2 кгс/см2). Наилучший состав рабочей жидкости - раствор жидкого стекла (силиката натрия) в воде.
Анодно-механическая обработка характеризуется: малым износом электрода-инструмента относительно электрода-заготовки, обычно не превышающим 20 - 30% на грубых и 2-3% на чистовых режимах; высокой производительностью на грубых режимах, достигающей 35-100 мм3/с при шероховатости поверхности Rz - 500 - 600 мкм, и малой шероховатостью поверхности на мягких режимах, достигающей Rz < 1 мкм при небольшой производительности (около 0,01 мм3/с). На рис. 5.6, а показана схема анодно-механического долбления, а на рис. 5.6, б - схема анодно-механической резки металлов. Долблением обрабатывают отверстия разнообразной формы в изделиях из твердого сплава и закаленной стали твердостью HRC 60-65.

Рис.5.6 Схема анодно-механического долбления (а) и резки(б).
1 - электрод-инструмент; 2 - рабочая жидкость; 3 - обрабатываемая заготовка.

Рис. 5.9 Схема ультразвуковой обработки.

При прохождении по обмотке 2 переменного тока в сердечнике 3 возникают продольные колебания. Сердечник изготовляется из материала, изменяющего длину при помещении его в переменное электромагнитное поле (явление магнитострикции). Колебания усиливаются в концентраторе 4 и передаются на инструмент 5 для обработки заготовки 6. Между инструментом и заготовкой находится абразивная суспензия. Ультразвуковая обработка используется, в основном, для изготовления отверстии разнообразного профиля в труднообрабатываемых материалах, а также для гравировки и маркировки. Материалом инструмента служат латунь, медь, чугун. Профиль инструмента соответствует профилю обрабатываемого отверстия.

Рис. 5.11 Схема светолучевой обработки.

 

 

Процессы лазерной резки представлены на рис.5.11. 

 

 

 

Рис.5.11 Лазерная обработка.

 

является рубиновый (или иной) стержень (кристалл), содержащий небольшое количество атомов хрома, и газоразрядная лампа. Кратковременные вспышки лампы 1 возбуждают часть атомов стержня, приводя их в высшее энергетическое состояние за счет поглощения света. Возбужденные атомы могут отдавать свою энергию соседним атомам, которые, в свою очередь, переходят на более низкий энергетический уровень с мощным излучением волн различных направлений. Волна, идущая вдоль оси кристалла, многократно отражается от его плоско-параллельных торцов и быстро усиливается. Через полупрозрачный (нижний) торец стержня выходит мощный импульс красного света, проходящий через диафрагму 2, оптическую систему 3 и защитное стекло 4 на поверхность детали 5.
Энергия излучения ОКГ промышленного типа невелика - 10-100 Дж, а КПД составляет 0,1 - 1%. Температура в точке приложения луча достигает величины 5500-9000 К, достаточной для расплавления или превращения в пар большинства конструкционных материалов. Больших значений температура достигает у материалов с высокой теплопоглощающей способностью, а меньшие значения имеет у материалов, полупрозрачных, с высокой отражательной способностью. Обрабатываемость различных материалов световым лучом определяется, в основном, теплофизическими свойствами материалов (температура плавления и кипения, теплоемкость, теплопроводность).
Светолучевая обработка характеризуется высокой импульсной мощностью излучения и возможностью создания чрезвычайно высокой плотности энергии на небольшой площадке (0,01мм ² ). Длительность излучения ОКГ, в зависимости от режима работы, может колебаться в пределах 0,1 - 1,0 мкс. При работе в импульсном режиме продолжительность импульсов составляет 10-500 мкс.
Промышленное использование ОКГ для размерной обработки материалов ограничивается образованием отверстий диаметром от 10 до 0,5 мкм и глубиной до 0,5 мм в нержавеющей стали, вольфраме, алмазе и других труднообрабатываемых материалах.

Электроннолучевая обработка производиться в вакуумной камере за счет превращения кинетической энергии свободных электронов в тепловую при их столкновении с поверхностью заготовки. Эмиссия свободных электронов производиться, как правило, из вольфрамовой спирали накаливания, а разгоняются электроны в направленном электромагнитном поле. Электроны концентрируются в пучок диаметром в сотые доли миллиметра с помощью электромагнитных «линз» и «дюз». Температура в зоне удара электронов о поверхность заготовки может достигать 5-8 тысяч градусов Цельсия, что достаточно для расплавления материала заготовки. Работа ведется в импульсном режиме, с длительностью импульсов 3-5 микросекунд. Применяют эту технологию для обработки легко окисляющихся материалов.

Рис. 5.12 Ручная плазменная обработка.

Рис. 5.13 Автоматизированная плазменная обработка на специализированном оборудовании.

Промышленное применение плазменной дуги для резки началось в начале 50-х годов 20-го века, и, с течением времени, плазменная резка NERTAJET завоевала все основные позиции, принадлежащие ранее другим способам механической или термической резки. Это способ, при котором газ под воздействием электрической дуги переходит в состояние плазмы и претерпевает эффект сжатия, проходя через охлажденную форсунку. На рисунке 5.14 представлен процесс плазменной резки.

Рис. 5.14 Схема плазменной обработки.

Способ плазменной резки используется для резки любых электропроводных материалов, но при этом качественные показатели резки (скорость, толщина и т.д.) зависят от используемого плазменного газа. Особый интерес плазменная резка представляет для предприятий, работающих с листовым металлом для выполнения следующих видов работ:

• резка нержавеющих сталей и цветных металлов: классический способ кислородной резки в этом случае не может быть применен вообще, а лазерная резка, помимо выше указанных недостатков, ограничена возможностью резки только определенных толщин. К тому же неограниченные возможности и получаемое качество резки в сочетании с суммой вложенных инвестиций делают плазменную резку наиболее соответствующей запросам покупателя.
• резка углеродистых марок стали малой и средней толщины (< 30 мм).
• серийное производство металлических деталей.
• резка сложных геометрических форм, исключающая деформацию разрезаемого материала.

Положительные стороны плазменной резки:

• высокая производительность, т.е.  сравнительно более высокая скорость резки;
• простота в подготовке к работе и запуске;
• стабильность качественных показателей резки;
• при необходимости процесс может быть легко автоматизирован или роботизирован;
• незначительная зона термического воздействия;
• незначительное или полное отсутствие деформации разрезаемого материала.

В практике существуют различные виды плазменной резки, применяемые каждый в определенной области в зависимости от используемого плазменного газа (см. табл.5.2)

Таблица 5.2.

 

Плазма с использованием нейтрального или раскисляющего газа.	Плазма с использованием кислородосодержащего газа.	Плазма с впрыском воды.
Используемыми газами: азот, аргон или смесь аргона и водорода(иногда смесь азота и водорода). Обычно применяется для резки цветных металлов и нержавеющей стали. Плазма аргон-водород используется для ручной резки.	При этом методе в качестве плазменного газа используется сжатый воздух или чистый кислород. Обычно применяется для резки углеродистых марок стали. Плазма сжатый воздух используется для ручной резки.	При этом методе резки происходит комбинированный процесс смешивания газа(азота, сжатого воздуха или кислорода) с последующим впрыском воды. Применяется для резки любых электропроводных материалов. Уменьшает количество вредных выбросов. Метод используется только для автоматической резки.

 

Процесс плазменной резки можно описать следующим образом: плазменная струя образуется в резаке: газ под давлением, проходя через форсунку, под воздействием электрической дуги преобразуется в плазму. Высокотемпературный поток плазмы (от 10 000 до 25 000 °С) с огромной скоростью (от 500 до 1500 м/с) вырывается из отверстия форсунки в форме цилиндрической колонны небольшого сечения, воздействует на разрезаемый материал, плавит металл и удаляет расплавленную массу, оставляя ровный и гладкий разрез.
Первоначально зажигание дуги происходит между электродом и форсункой с помощью источника высокочастотных импульсов или же в результате контакта (короткого замыкания) между электродом и форсункой. Для осуществления процесса резки дуга "переносится" на разрезаемый материал, поэтому способ плазменной резки применим только для электропроводных материалов. Источником электроэнергии, необходимой для образования плазмы, является генератор постоянного тока. Для охлаждения резака используется жидкость с высокой степенью теплопроводности и низкой степенью электропроводности. Таковой является деминерализированная вода. В установках плазменной резки небольшой мощности для охлаждения резака используется сжатый воздух.

Глава 5. Электрофизические и электрохимические технологии изготовления деталей.

Электрофизические и электрохимические технологии (ЭФ ЭХ - технологии) создавались как альтернатива технологиям резания, где последние либо давали неудовлетворительные результаты, либо оказывались вовсе не пригодными. Речь идет об обработке очень прочных и вязких или очень твердых и очень хрупких материалов.

       Разработаны и опробованы десятки ЭФ ЭХ – технологий, но наибольшее применение получили следующие:

- электроэрозионные технологии;                                                                                    - анодно-механические технологии;                                                                               - электрохимические технологии;                                                                                 - электрофизические технологии;                                                                                         - ультразвуковые технологии;                                                                                                                                       - светолучевая обработка;                                                                                                              - электроннолучевая обработка;                                                                                                - плазменная обработка.