Электрические методы обработки.



При обработке металлов резанием получение деталей необхо­димых размеров достигается снятием стружки с поверхности обра­батываемой заготовки. Стружка, таким образом, является одним из наиболее распространенных отходов в металлообработке, объем которого составляет примерно 8 млн т в год. При этом по меньшей мере 2 млн т — это отходы переработки высоколегированных и дру­гих особо ценных сталей. При обработке на современных метал­лорежущих станках в стружку зачастую идет до 30...40 % металла от общей массы заготовки.

Установлено, что экономия только 1 % проката черных металлов, используемого для изготовления различных деталей в станко­строительной и инструментальной промышленности, позволит производить ежегодно 15000 универсальных токарно-винторезных станков.

Поэтому все большее внимание уделяется новым способам обработки металлов, основанным на безотходной или малоотходной технологии. Появление новых способов обработки обусловливается также все более широким распространением в машиностроении и других отраслях народного хозяйства высокопрочных, коррозионно-стойких и жаропрочных металлов и сплавов, обработка которых обычными методами затруднена.

   К новым методам обработки металлов относятся химические, электрические, плазменные, лазерные, ультразвуковые, а также гидропластическая обработка металлов.

  Решающая роль в ускорении технического прогресса в машино- и приборостроении принадлежит новым прогрессивным технологическим процессам, которые позволяют резко увеличить производительность труда, снизить трудоемкость, повысить надежность и долговечность из­делий. В практике металлообработки одно из ведущих мест начинают занимать электрофизические и электрохимические методы. Удельный вес технологических операций, выполняемых этими методами, в общем объеме еще не превышает 1%, однако их применение позволило значительно уменьшить трудности внедрения твердых сплавов, облегчить переход к широкому использованию труднообрабатываемых материалов, в том числе неметаллических, решить ряд сложных технологических задач, связанных с производством изделий из материалов, ранее не поддававшихся обработке.

 

Химические и электрические способы обработки

Основное отличие электрофизических и электрохимиче­ских методов от механической обработки резанием или дав­лением — непосредственное использование в роли обраба­тывающего инструмента электрической энергии или со­здаваемых при ее помощи физических и химических явле­ний. Технологическое использование электроэнергии для обработки материалов характеризуется такими важными особенностями, как: практическая независимость скорости, качества и производительности обработки от физико-меха­нических свойств обрабатываемых материалов; высокая технологическая гибкость процессов обработки; отсут­ствие надобности в применении специальных инструменталь­ных материалов с высокой твердостью, прочностью и изно­состойкостью; значительное сокращение расхода матери­алов; пригодность для выполнения ряда операций, которые другими методами обработки осуществить невозможно; относительная несложность технологического процесса и простота оборудования; возможность местной обработки крупногабаритных изделий без применения специальных станков; возможность полной автоматизации и механиза­ции процессов обработки; улучшение условий труда и др.

Прогрессивные методы обработки условно можно разделить на две группы. К первой относятся методы, при­меняемые для удаления материала с обрабатываемых поверх­ностей, его переноса и формообразования с помощью электри­ческой энергии, вводимой непосредственно в зону обработки. Это электроэрозионные (электроискровая, элекроимпульс-ная, электроконтактная, анодно-механическая обработки)и электрохимические методы (электрохимическая, электрохи-мико-механическая и другие виды обработки). Ко второй группе относятся методы с предварительным преобразо­ванием вне рабочей зоны электрической энергии в другие виды. Это светолучевые, электронно-лучевые, ультразвуковые методы и др. Известно много комбинированных методов обработки, включающих элементы как первой, так и второй групп.

Электрофизические и электрохимические методы обработки материалов успешно применяются практически на всех стадиях производства. С помощью этих методов осу­ществляются многие операции предварительной обработки (резка и обдирка заготовок, отрезка литниковых систем, снятие припуска и др.), размерной обработки (изготовление и обработка деталей сложной конфигурации), финишной и прецизионной обработки (поверхностное упрочнение, шлифование, полирование), а также многие восстанови­тельные работы (ремонт штампов, извлечение сломанного инструмента и др.).

При химической обработке используется химическая энергия. Снятие определенного слоя металла осуществляется в химически активной среде (химическое фрезерование). Оно заключается в регулируемом по времени и месту растворении металла с поверхности изделий путем травления их в кислотных и щелочных ваннах. Поверхности, не подлежащие обработке, защищают химически стойкими покрытиями (лаки, краски, светочувствительные эмульсии и др.). Постоянство скорости травления поддерживается за счет неизменной концентрации раствора.

Химическими методами обработки получают местные утонения на нежестких заготовках; ребра жесткости; извилистые канавки и щели; «вафельные» поверхности; обрабатывают поверхности, труднодоступные для режущего инструмента.

При электрическом методе электрическая энергия преобразуется в тепловую, химическую и другие виды энергии непосредственно в процессе удаления заданного слоя. В соответствии с этим электрические методы обработки разделяют на электрохи­мические, электроэрозионные, электротермические и электромеханические.

Электрохимическая обработка основана на законах анодного растворения металла при электролизе. При прохождении постоянного электрического тока через электролит на поверхности заготовки, включенной в электрическую цепь и являющейся анодом, происходят химические реакции и образуются соединения, которые переходят в раствор или легко удаляются механическим способом. Электрохимическую обработку применяют при полировании, размерной обработке, хонинговании, шлифовании, очистке металлов от оксидов, ржавчины и т.д.

Электроэрозионная обработка основана на законах эрозии (разрушения) электродов из токопроводящих материалов при пропускании между ними импульсного электрического тока. Она применяется для прошивания полостей и отверстий любой формы, разрезания, шлифования, гравирования, затачивания и упрочнения инструмента. В зависимости от параметров импульсов и вида применяемых для их получения генераторов электроэрозионная обработка разделяется на электроискровую, электроимпульсную и электроконтактную.

Электроэрозионные методы обработки металлов основаны на использовании явления электрической эрозии (разрушения электрическим разрядом), при которой проявляется локальное тепловое действие импульсов электрического тока. Электрический разряд происходит между двумя электродами инструментом и обрабатываемой деталью. Повторение импульсов обусловливает съем слоя металла с детали, в результате чего образуется углубление, соответствующее форме поверхности инструмента. В процессе обработки межэлектродный промежуток (канал разряда) нужно сохранять постоянным, электрические им­пульсы должны быть кратковременными и подаваться с определенной частотой.

                                                                                

 Рис. 13.1. Схема электроискровой обработки металлов

.

 

Электроискровую обработку металлов разработали и впервые осуществили в 1943 г. лауреаты Государственной премии Борис Романович Лазаренко и Нина Ивановна Лазаренко – научные сотрудники Института прикладной физики АН МССР в г. Кишиневе.. Ее применяют для обработки закаленных сталей и твердых сплавов: сверления отверстий малых диаметров (а < 1 мм), изготовления профильных узких канавок и пазов, фасонных внутренних полостей (в штампах, пресс-формах, режущем инструменте), глухих отверстий в мет­чиках и сверлах с целью извлечения их после поломки из дорогостоящих деталей, разрезки заготовок и т. п.

Процесс осуществляется на специальных станках (рис. 13.1), оборудованных генераторами импульсов электрического тока. Генератор импульсов состоит из генератора Г постоянного тока, сопротивления К и конденсатора С. Важнейшие параметры генератора — величины сопротивления R и емкости конденсатора С. Электрод-инструмент при обработке служит катодом, а обрабатываемая деталь 2— анодом. Обработка происходит в среде диэлектрической жидкости.

Импульсы тока, необходимые для образования электрического разряда, создаются накопительным конденсатором С, который постоянно заряжается от генератора Г, а час­тота разряда регулируется сопротивлением R. По мере зарядки конденсатора между электродами 2 и 3 повышается напряжение и возникает электрическое поле, которое вы­зывает ионизацию молекул жидкости. При определенной степени ионизации происходит пробой диэлектрической жидкости и по каналу разряда на обрабатываемую деталь с огромной скоростью устремляется поток электронов. В связи с небольшим сечением ка­нала плотность энергии в нем достигает громадных значений (10 ГА/м2 и более). Искровой разряд, продолжительность которого составляет 10-6 с, вызывает большой тепловой эффект с температурой до 10 000°С. В таких условиях в зоне обработки происходит плавление и частичное испарение малых порций металла, носящее характер взрыва. Выбрасываемые расплавленные частицы металла охлаждают­ся жидкостью и опускаются на дно ванны. После прохождения разряда напряжение на электродах падает и электронейтральность среды восстанавливается. Частота импульсов колеблется к пределах 150— 2000 Гц. Постоянный межэлектродный промежуток поддерживается автоматически специальным регулятором.

Электроды-инструменты изготовляют из меди, латуни, чугуна, алюминия, а в некоторых случаях — из вольфрама. В качестве диэлектрической жидкости применяют ми­неральное масло, керосин, дистиллированную воду и другие диэлектрические жидкости. Точность при электроэро­зионной обработке отверстий достигает ± 0,01 мм, шерохо­ватость поверхности — 6...7-го классов.

К недостаткам электроискрового способа относятся сравнительно невысокая производительность (при обр­ботке стали съем металла достигает 0,8—-0,9 см3/мин), большая энергоемкость [36—252 МДж (10—70 кВт « ч) на 1 кг удаленного металла] и большой расход электродов. Применение электродов из графита и медно-вольфрамовых композиций дает существенное снижение расхода электродов и повышение производительности.

При определенном значении разности потенциалов на электродах, одним из которых является обрабатываемая заготовка (анод), а другим — инструмент (катод), между электродами образуется канал проводимости, по которому проходит импульсный искровой (электроискровая обработка) или дуговой (электроимпульсная обработка) разряд. В результате температура на поверхности обра­батываемой заготовки возрастает до (10...12) 103 °С. При этой температуре мгновенно оплавляется и испаряется элементарный объем металла и на обрабатываемой поверхности заготовки образуется лунка. Удаленный металл застывает в виде мелких гранул.

Следующий импульс тока пробивает межэлектродный промежуток там, где расстояние между электродами наименьшее. При непрерывном подведении к электродам импульсного тока процесс их эрозии продолжается до тех пор, пока не будет удален весь металл, находящийся между электродами на расстоянии, при котором возможен электрический пробой (0,01...0,05 мм) при заданном напряжении. Для продолжения процесса необходимо сблизить электроды до указанного расстояния. Электроды сближаются автоматически с помощью следящего устройства того или иного типа.

Электроискровую обработку применяют для изготовления штампов, пресс-форм, фильер, режущего инструмента, дет­лей двигателей внутреннего сгорания, сеток и для упрочнения поверхностного слоя деталей.

Электроимпульсная обработка используется как предварительная для штампов, турбинных лопаток, поверхностей фасонных отверстий в деталях из жаропрочных сталей. При электро­импульсной обработке скорость съема металла в 8... 10 раз больше, чем при электроискровой.

Электроимпульсный метод обработки металлов появился в результате совершенствования электроискрового. При обработке этим методом деталь подклю­чают к отрицательному полюсу источника питания, а инструмент — к положительному. Основное воздействие на обрабатываемую поверхность оказывают положительно за­ряженные ионы. Длительность импульсов электрического тока, создаваемых специальными генераторами, составляет 10-3с, что значитель­но больше, чем при электроискровой обработке, а их форма способствует направлению всей энергии только на разрушение металла обрабатываемой заготовки. Это позволило значительно снизить температуру в межэлектродном промежутке (до 4000—5000°С), уменьшить износ инструмента, сократить расход электроэнергии и использовать для электродов графитизированные материалы, обеспечивающие более высокие режимы работы.

Производительность электроимпульсной обработки может достигать 8—10 см3/мин и более. Точность обработки и шероховатость поверхности зависят от выбранного режима обработки. На мягких режимах точность обработка достигает 8 9-го квалитетов, а шероховатость поверхности — 5...7-го классов.

Применять электроимпульсную обработку целесообразно при одновременном удалении металла с относительно больших площадей и при черновой обработке, так как в этих случаях резко повышается производительность процесса. Сообщение электродам поступательного или вращательного движения при электроискровой и электроимпульсной обработках позволяет сократить время изготовления деталей в 1,5—2 раза благодаря увеличению боковых зазоров и облегчению эвакуации продуктов эрозии из межэлектродного промежутка.

В последнее время получает распространение высокочастотная электроимпульсная обработка. Она позволяет обрабатывать детали до шероховатости поверхности 9-го класса при производительности в 30—50 раз превышающей производительность чистовых режимов электроискрового метода. Малая энергия импульсов обеспечивает низкую шероховатость обработанной поверхности, а высокая частота их следования (20—40 кГц) -большую производительность. Импульсы генерируются специальными ламповыми генераторами. Обработка проводится в среде керосина или воды, которая принудительно прокачивается через зазор между электродом и заготовкой. В качестве материала для инструмента применяется медь.

Анодно -механичеокая обработка сочетает электро­термические и электромеханические процессы и занимает промежуточное место между электрохимическим и электроэрозионным методами. Обрабатываемую заготовку подключают к аноду, а инструмент — к катоду. В качестве инструмента используют металлические диски, цилиндры, ленты, проволоку. Обработку ведут в среде электролита. Заготовке и инструменту задают такие же движения, как при обычных методах механической обработки. Электролит подают в зону обработки через сопло.

При пропускании через раствор электролита постоянного электрического тока происходит процесс анодного растворения металла, как при электрохимической обработке. При соприкосновении инструмента — катода — с микронеровностями обрабатываемой поверхности заготовки — анода — происходит процесс электроэрозии, присущий электроискровой обработке. Продукты электроэрозии и анодного растворения удаляются из зоны обработки при движении инструмента и заготовки.

Анодно - механическая обработка металлов разработана лауреатом Государственной премии инженером В. Н. Гусевым в 1943 г. Процесс основан на электрохимическом и электроэрозионном разрушении металла. Его применяют для резки твердых материалов, заточки твердо­сплавных резцов, прорезания фасонных пазов, шлифования плоских и цилиндрических поверхностей и т. п.

Схема анодно-механической обработки аналогична схеме электроконтактной. Осуществляется процесс в среде электролита (водных растворах жидкого стекла или солей). Обрабатываемая заготовка служит анодом, а инструмент (вращающийся диск) — катодом, который подается на заготовку под небольшим давлением. При протекании по­стоянного электрического тока под действием электролита поверхность заготовки растворяется с образованием неэлектропроводной пленки продуктов растворения. Пленка непрерывно разрушается вращающимся диском. Если инструмент контактирует с заготовкой по оголенным от пленки выступам, на этих малых участках обрабатываемой поверхности возникают кратковременные дуговые разряды Частицы продуктов растворения и выплавленного дуговыми разрядами металла удаляются в направлении вращения диска. Изготовляют диск из меди, мягкой стали, чугуна и др.

Производительность анодно-механической обработки зависит от выбранного режима и колеблется в пределах 2 6 см3/мин при резании и 2 6 мм3/мин при шлифовании. Шероховатость поверхности при резании получается е пределах 2 4-го классов, а при шлифовании — в пределах 9 11-го классов. Точность обработки при резании достигает 11-го квалитета, а при шлифовании — 6... 5-го классов.

Электроконтактная обработка основана на локальном нагреве заготовки в месте контакта с электродом — инструментом и удалении размягченного или расплавленного металла из зоны обработки механическим способом (при относительном перемеще­нии заготовки и инструмента). Метод не обеспечивает высокой точности и качества поверхности деталей, но дает высокую скорость съема металла, поэтому используется при зачистке отливок, отрезании литниковых систем, зачистке проката из специальных сплавов, черновом шлифовании корпусных деталей машин из трудно­обрабатываемых сплавов и т. п.

Электроконтактная обработка металлов заключается в том, что при быстром перемеще­нии (вращении) электрода-инструмента 3 (рис. 83) относительно обрабатываемой заготовки , которые подключены к источнику переменного или постоянного тока, в моменты соприкосновения образуются кратковременные дуговые разряды. В результате поверхностный слой металла нагревается, расплавляется и удаляется вращающим­ся инструментом. Процесс осуществляется в среде 2 минерального масла, воды или воздуха при напряжении 2—20 В и незначительном давлении одного электрода на другой.

Электроконтактный метод эффективен при выполнении черновых операций — резке, об­дирке литья, очистке от окалины и т. п. Он обеспечивает точность обработки 11 12-го квалитетов и шероховатость поверхности 1 2-го классов. В качестве инструмента для обдирки и резки используют стальной диск, а для очистки — металлическую щетку. Производительность процесса на грубом режиме достигает 700 см3/мин. Удельный расход электроэнергии при обработке сталей составляет 5 6,5 МДж (1,4 1,8 кВт . ч) на 1 кг.

Электромеханическая обработка связана преимущественно с механическим действием электрического тока. На этом основана, например, электрогидравлическая обработка, использующая действие ударных волн, возникающих в результате импульсного пробоя жидкой среды.

Плазменно-лазерная обработка

Лучевые, или лазерные, методы обработки основаны на исполь­зовании сфокусированного луча (электронного, когерентного, ион­ного) с весьма высокой плотностью энергии. Луч лазера исполь­зуется как в качестве средства нагрева и размягчения металла впереди резца, так и для выполнения непосредственно процесса резания при прошивке отверстий, фрезеровании и резке листового металла, пластмасс и других материалов.

Процесс резания идет без образования стружки, а испаряющийся за счет высоких температур металл уносится сжатым воздухом. Сейчас лазеры применяют для сварки, наплавки и разрезания в тех случаях, когда к качеству этих операций предъявляются повышенные требования. Например, лазерным лучом путем прожи­гания или испарения режут сверхтвердые сплавы, сотовые титановые панели в ракетостроении, листовой и панельный алюминий, композиционные материалы, изделия из нейлона и твердую дре­весину. Высокая плотность энергии в зоне нагрева создает дополнительный эффект очистки металла.

Следует отметить, что пока лазеры имеют сравнительно низкий коэффициент полезного действия из-за преобразования электрической энергии в тепловую, а последней — в механическую.

Плазменные методы обработки металлов по праву считаются одними из самых прогрессивных. Огромная температура плазмы, значительная кинетическая энергия ее струи гарантируют высокое качество обработки любых металлов и материалов. Мощность современных плазменных установок достигает 6 МВт.

Использование плазменных и лазерных методов обработки особенно эффективно при изготовлении деталей сложных форм.

 Эффективность новых способов обработки металлов

Новые способы обработки металлов выводят технологию изготовления деталей на новую, более высокую ступень по сравнению с традиционной технологией. Это наиболее эффективная технология, чаще всего безотходная. Общими преимуществами новых способов обработки являются: отсутствие потребности в специальных инструментальных материалах высокой твердости; практическая независимость производительности от твердости и других свойств обрабатываемого материала; снижение необходимого силового воз­действия на заготовку в процессе обработки (за исключением гидропластической обработки); простота устройства станков; легкость автоматизации процесса обработки и др.

Так, производительность труда при ультразвуковой обработке по сравнению с традиционными способами обработки резанием возрастает в 10...20 раз при выполнении отверстий некруглой формы и в 2...3 раза — круглых. При этом экономия материала составляет 20...50%.

С помощью гидропластической обработки можно пробить любое отверстие в фольге толщиной всего в несколько десятков микрометров, делать в стенке трубы изнутри углубления и отверстия, готовить трехслойные трубы из разных материалов. Оснастка при этом в 10 раз дешевле, чем при механических способах обработки, и обеспечивается полная безопасность труда. При производстве этим способом труб диаметром более 1 м и длиной в несколько мет­ров при годовой программе 20 тыс. т может быть получена экономия в 10 млн рублей. Производительность труда повышается раз и обеспечивается почти 100 %-е использование металла, а также значительная экономия энергии.

Электроискровые станки с программным управлением могут успешно использоваться при изготовлении деталей для телевизоров, автомобилей, а также авиационных и других двигателей. Точность обработки на них — ± 1 мкм.

Внедрение оборудования для плазменного резания и механической обработки деталей способствует повышению производитель­ности труда в 5... 10 раз.

Лазерный луч может сканировать по поверхности деталей, имеющей чрезвычайно сложную форму (лопатки газовых турбин и другие), и выполнять ее обработку. При этом обеспечивается скорость резания до 8 м/мин при обработке изделий из углеродистой и корризионно-стойкой стали, титана и специальных сплавов.

Аналогичные результаты достигаются при применении и других новых способов обработки.

 


Дата добавления: 2018-02-18; просмотров: 196; ЗАКАЗАТЬ РАБОТУ