Электрофизические способы обработки

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. 241). Причина появления лунок — локальный нагрев электродов до весьма высокой температуры. При сближении двух электродов и подключении к ним напряжения, достаточно го 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.

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 электрод-инструментов, применение преимущественно релаксационных схем генерирования импульсов (рис. 242) 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 машиностроении и инструментальном производстве при обработке заготовок небольших размеров, изготовлении твердосплавных матриц, штампов, обработке отверстий малого диаметра, шлифовании, растачивании профильными электрод-резцами. Инструмент является катодом, а обрабатываемая заготовка — анодом. Напряжение сети при обработке не превышает 250 В.

Обычно профиль инструмента соответствует профилю обрабатываемого контура (рис. 243, а), но возможно вырезание непрофилированной проволокой различных контуров (рис. 243,6). 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).

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 обрабатываемой поверхности и на более мягких режимах с шероховатостью поверхности Rz = 80 - 40 мкм; малым относительным износом электрод-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).

Основная область применения электроимпульсного метода — образование отверстий в деталях больших объемов, сложной формы с высокой шероховатостью поверхности и невысокой точностью в заготовках из обык-новенной и жаропрочной сталей (рис. 244) (например, штампов, лопаток турбин, цельных роторов турбин, решеток и т. п.).

Различное влияние импульсных разрядов на металлы и сплавы зависит от их теплофизических констант: температуры плавления, и кипения, тепло проводности, теплоемкости и т. д.

Электроконтактная обработка основана на механическом разрушении или формоизменении металлических поверхностей, производимом одновременно с нагревом или расплавлением этих поверхностей электрическим током (рис. 245). При этом методе в месте контакта двух токопроводящих поверхностей выделяется тепло ввиду повышенного сопротивления, а также электрического разряда.

Разрушение поверхности заготовки при обработке с напряжением свыше 10 В (до 20 — 22 В) происходит в значительной части или полностью в результате электродугового процесса — возникновения множества микро-дуг в месте контакта микронеровностей поверхностей электродов (инструмента и заготовки) (выноска / на рисунке). Движущийся инструмент в этих случаях не только подводит ток и удаляет размягченный металл, но и благодаря вибрации способствует возникновению множества прерывистых контактов, необходимых для образования дуговых разрядов.

Основной особенностью электроконтактной обработки является высокая производительность процесса при низком качестве обработки. Производительность может достигать 3000 мм³/с при грубой поверхности и глубине измененного слоя в несколько миллиметров. На мягких режимах производительность составляет около 1 мм³/с при шероховатости поверхности Rz = 80 4- 20 мкм и глубине микротрещин на твердых сплавах или закаливающихся сталях до 0,3 — 0,5 мм. Во всех случаях отмечаются наплывы на кромках обработанной поверхности.

Электроконтактная обработка может выполняться как в воздушной, так и в жидкой среде. Производительность обработки почти линейно растет с увеличением напряжения и мощности источника питания, Этот метод применяют в основном для обработки крупногабаритных изделий. Он может быть использован для зачистки литейных поверхностей и сварных швов.

Ультразвуковая обработка. Ультразвуковыми условно называют большую группу технологических процессов и операций разнообразного, назначения, осуществляемых с обязательным присутствием механических упругих колебаний с частотой выше 16-18 кГц. В одних процессах ультразвуковые колебания используются для передачи в зону обработки необходимого количества энергии (размерная ультразвуковая обработка твердых материалов), в других служат средством интенсификации процессов (химических и электрохимических).

Ультразвуковая размерная обработка — это направленное разрушение твердых и хрупких материалов при помощи мельчайших зерен абразивного порошка, вводимых в виде суспензии в зазор между торцом - специального инструмента и заготовкой и колеблющихся с ультразвуковой частотой. Под ударами зерен абразива складываются мелкие частицы материала с поверхности заготовки. Обрабатываемая площадь и наибольшая глубина обработки зависят от сечения и свойств магнитострикцнонного материала, из которого изготовлен двигатель-преобразователь, Износ инструмента определяет срок его службы и оказывает существенное влияние на точность обработки. Изнашивание в продольном направлении происходит из-за разрушения торца инструмента при ударах по абразивным зернам и зависит от физико-механических свойств материала инструмента, а также от зернистости абразива. Поперечный износ является следствием побочного резания, которое совершается между боковой поверхностью инструмента и стенкой обрабатываемого отверстия, и зависит от величины паразитных колебаний инструмента в поперечном направлении, геометрии и профиля инструмента.

Ультразвуковой обработке поддаются хрупкие материалы (стекло, твердые сплавы и т. п.). частицы которых скалываются ударами зерен абразива. Вязкие материалы (незакаленная сталь, латунь) плохо обрабаты ваются ультразвуковым способом, так как в этом случае не происходит сколов.

На рис. 246 изображена принципиальная схема ультразвуковой обработки. Корпус 1 головки охлаждается водой, которая циркулирует по внутренним каналам. 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 служит латунь, медь, чугун. Профиль инструмента соответствует профилю обрабатываемого отверстия.

Светолучевая обработка материалов проводится при помощи светового луча, излучаемого ОКГ — оптическим квантовым генератором (лазером). Одним из важнейших элементов твердотельного ОКГ (рис. 247) 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 и превращения в пар любого материала. 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 (0,01 мм). 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.

© Проект «Ростовский станок»