40760

Электрофизические, химические и электрохимические методы обработки и резки металлов и сплавов

Лекция

Производство и промышленные технологии

Постоянно растущие требования к качеству, надежности и долговечности изделий делают актуальными создание и применение новых методов обработки упрочняющей технологии для повышения износостойкости, коррозионной стойкости, жаропрочности и других эксплуатационных характеристик.

Русский

2013-10-22

606.64 KB

50 чел.

Лекція № 16  

Елетрофізичні, хімічні та електрохімічні методи обробки та різання металів і сплавів

ФИЗИКО-ХИМИЧЕСКИЕ МЕТОДЫ ОБРАБОТКИ

Постоянно растущие требования к качеству, надежности и долговечности изделий делают актуальными создание и применение новых методов обработки упрочняющей технологии для повышения износостойкости, коррозионной стойкости, жаропрочности и других эксплуатационных характеристик.

Физико-химические методы 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 малых отверстий, узких и глубоких канавок и др.);

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 автоматизации и механизации процессов физико-химической обработки, а также многостаночного обслуживания.

Недостаток физико-химических методов: эти методы обычно более энергоемки, чем процесс резания, их целесообразно применять лишь в тех случаях, когда процессы резания малоэффективны.

Все физико-химические методы содержат пять основных видов, каждый из которых состоит из нескольких разновидностей (см. рис. 1): электроразрядные; электрохимические; ультразвуковые; лучевые; комбинированные.

В этих методах удаление припуска происходит не за счет больших пластических деформаций (как это имеет место при резании), а путем электрической или химической эрозии.

Применение физико-химических методов обеспечивает частичную или полную автоматизацию процессов, упрощение ручных операций, связанных с обслуживанием станка. Особенно эффективны они при изготовлении таких изделий, как штампы, пресс-формы, турбинные лопатки, камеры сгорания,

фасонный твердосплавный инструмент, электронная аппаратура и др.

Рисунок 1 – Классификация электрофизических и электрохимических методов обработки.

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.

Электроэрозионные (электроразрядные) методы обработки

Электроэрозионные методы основаны на использовании явления электрической эрозии – направленного локального разрушения электропроводящих материалов в результате теплового действия импульсных электрических разрядов между электродом-инструментом и электродом-заготовкой. Электрод-инструмент 1 (рис. 2) и обрабатываемая заготовка 2 погружены в рабочую жидкость и соединены с генератором электрических импульсов 3. Все процессы, вызывающие обработку, протекают в межэлектродном промежутке (МЭП). При подводе к электродам электрического импульса наибольшая электрическая напряженность будет между наиболее близкими микровыступами: происходит пробой промежутка, возникают проводимость и импульсный разряд, сопровождающийся очень высокой температурой (до 104 °С), вызывающей плавление и испарение металлов. Количество теплоты, выделяющейся на электродах, неодинаково и зависит от их полярности и энергии импульсов. Заготовку 2 соединяют с тем полюсом, на котором выделяется большая доля теплоты. В процессе обработки электрод-инструмент 1 перемещается и с помощью специального регулятора 4 поддерживается постоянная величина МЭП (Δ=5…10 мкм). Рабочий процесс протекает в жидкой диэлектрической среде (керосин, масло, дистиллированная вода).

Рис. 2 – Принципиальная схема электроискровой (электроэрозионной) обработки (ЭЭО).

Рабочая жидкость при электроэрозионной обработке:

  1.  способствует диспергированию продуктов эрозии, образованию гранул   шаровидной формы, препятствует осаждению продуктов эрозии одного

электрода на другой;                                

2) обеспечивает стабильное протекание процесса, удаляя продукты эрозии и очищая межэлектродный промежуток;

3) охлаждает электроды.

Рабочая жидкость должна иметь невысокую вязкость и безопасность в эксплуатации, химическую нейтральность к материалу инструмента и детали, нетоксичность и невысокую стоимость. Общий съем металла происходит под действием большого числа электроимпульсов, следующих с определенной

частотой.

Величина электрической эрозии определяется химическимсоставом материалов электрода-инструмента и заготовки, составом рабочей жидкости, а также энергетическими характеристиками импульсов.

Процесс эрозии электродов содержит три основные фазы:

1) выделение энергии в канале разряда и передача ее поверхностям электродов;

2) разрушение решетки металла (плавление, испарение);

3) эвакуация продуктов эрозии из зоны разряда.

Обрабатываемость материалов электроэрозионным методом зависит от их теплофизических свойств и условий протекания процесса. Если обрабатываемость нормализованной стали принять за единицу, то для жаропрочных сплавов она равна 1,3…1,4, а для тугоплавких металлов и твердых сплавов лишь 0,4…0,5. Обрабатываемость закаленных сталей на 25…30% выше, чем незакаленных, из-за их меньшей теплопроводности.

Применяются несколько кинематических схем ЭЭО.

1. Прошивание отверстий и полостей с прямой и криволинейной осью – в двух вариантах:

а) прямое копирование, когда электрод-инструмент находится над заготовкой; обработка бывает одно- и многоэлектродная;

б) обратное копирование с расположением заготовки над электродом-инструментом (ЭИ). Движение подачи здесь может осуществляться заготовкой, при этом улучшаются условия эвакуации продуктов эрозии и повышается точность обработки.

2. Электроэрозионное шлифование, наиболее эффективное при обработке внутренних фасонных поверхностей.

3. Обработка непрофилированным электродом 3 – движущейся тонкой проволокой (d= 0,05…0,3 мм) – обычно по двум координатам (рис. 3). Эта схема позволяет вырезать сложноконтурные детали высокой точности при использовании коротких импульсов с малой энергией. Проволока получает непре-

рывное движение посредством роликового механизма 1, 2, 6. Обрабатываемая деталь 4 получает поперечную и продольную подачи (или по криволинейной траектории).

 Рис. 3. Схема обработки непрофилированным

электродом-инструментом (проволокой):

1 – катушка с проволокой; 2 – направляющие ролики;

3 – проволока; 4 – обрабатываемая деталь;

5 – подача рабочей жидкости; 6 – катушка.

4. Формообразование путем сочетания взаимного перемещения обрабатываемой детали 1 (рис. 4) и профилированного ЭИ 2 (огибание или обкатка). Такая схема используется при электроэрозионной правке фасонных алмазных кругов, обработке узких канавок (менее 0,5 мм) на стальных и твердосплавных роликах.

 Рис. 4. Схема электроэрозионного

формообразования методом обкатки.

Электроэрозионный метод позволяет обрабатывать отверстия с криволинейными осями, тонкостенные детали, узкие каналы, соединительные отверстия в корпусах гидро- и пневмоаппаратуры. Преимущество этих методов – отсутствие заусенцев.

Все станки для физико-химической обработки так же, как и обычные металлорежущие станки, делятся на универсальные, специализированные и специальные. Виды электроэрозионных станков, получивших наибольшее применение:

1) универсальные прошивочные станки, работающие по схемам прямого и обратного копирования (мод. 4Г721М, 4Д721АФ3, 4Д722АФ3, 4П724Ф3М);

2) универсальные вырезные станки (мод. 4531Ф3, 4532Ф3, 4535Ф3);

3) универсальные станки для удаления сломанного инструмента и шпилек (мод. 4Б611);

4) специализированные многопозиционные станки для перфорации лопаток ГТД, обработки роторов ТНА, форсунок и др.;

5) специализированные обкатные станки для обработки кольцевых и винтовых ручьев переменного сечения (МА4730А, МА4727);

6) станки для электроконтактной обработки (МЭ301).

Наиболее широкое применение получили универсальные прошивочные и вырезные станки.

Электрохимические методы обработки (ЭХО)

Общие сведения. Все разновидности ЭХО основаны на использовании процесса электролитического полирования, разработанного в 1911 г. русским химиком Е.И. Шпитальским. Электрохимическая обработка использует процессы электролиза, т.е. химические превращения на поверхности электродов в среде электролита. Заготовка является анодом, а инструмент – катодом.

В основе ЭХО лежит процесс анодного растворения металла заготовки. В рабочей среде – электролите – молекулы вещества распадаются на электрически заряженные частицы – ионы, каждый из которых переносит один или несколько электрических зарядов, и без внешнего электрического поля ионы в электролите движутся хаотически. Если заготовку и инструмент соединить с источником постоянного тока (напряжением 6…12 В), то в электролите возникает направленное движение ионов: положительные ионы (катионы) двигаются к катоду, а отрицательные (анионы) – к аноду. Вблизи электродов постепенно повышается концентрация ионов противоположного знака, и на катоде начнется восстановление катионов, а на аноде – окисление металла, т.е. анодное растворение.

Характер электрохимических реакций зависит от состава, концентрации и температуры электролита. Наиболее распространенным электролитом при обработке сталей и жаропрочных сплавов является 10…20%-ный водный раствор NaCl. Применяются и 5…15%-ные водные растворы азотнокислого натрия (Na2NO3) при обработке жаропрочных сплавов, алюминиевых и медных сплавов. Хорошие результаты при ЭХО аустенитных сталей дает раствор сернокислого натрия, а при обработке вольфрама, молибдена, ниобия и тантала – растворы

щелочей. Известны также более сложные системы, содержащие лимонную кислоту, бром, фтор и другие компоненты.

Для обеспечения стабильности процесса необходимо поддерживать в определенных пределах величину водородного показателя pH. При pH=7 раствор химически нейтрален; при pH<7 он обладает кислотными свойствами, при pH>7 – щелочными. В настоящее время применяется большое количество разновидностей ЭХО. Обработка при малых плотностях тока и в неподвижном электролите называется электрополированием.

Схема электрополирования простая: обрабатываемую деталь помещают в электролит и соединяют с положительным полюсом источника постоянного тока. Катодом служит пластина из металла, не вступающего в химическую реакцию с электролитом. При прохождении тока наиболее интенсивно растворяются

вершины микронеровностей, появляется блеск и достигается эффект полирования.

Электрополирование используют перед проведением гальванических процессов, для снятия тонких слоев металла при изучении остаточных напряжений, для удаления наклепанного слоя после процессов резания и др. Наряду с электрополированием применяется и чисто химический процесс – размерное травление («химическое фрезерование»), сплошное и избирательное. При избирательном травлении места, не подлежащие обработке, защищают слоем лака. Травление ведется в водных растворах щелочей и кислот. Глубина травления не превышает нескольких миллиметров, а производительность – невысокая (0,4...1,2 мм/ч). Этот процесс наиболее эффективен при обработке рельефных поверхностей на деталях из алюминиевых сплавов, а также сталей и титановых сплавов с большими площадями: вафельных панелей, створок, обшивок гондолы двигателя и др. По сравнению с процессами резания трудоемкость снижается в 2-3 раза.

Электрополирование характеризуется невысокой интенсивностью съема металла из-за низкой плотности тока на аноде (i менее 0,1 А/см2) и постепенным замедлением процесса вследствие пассивации анода неэлектропроводными частицами гидроксидов металла.

Различают следующие разновидности ЭХО.

1. Анодно-гидравлическая обработка ведется в условиях интенсивного проточного движения электролита и малого зазора между электродами (Δ<0,5...1 мм).

2. Анодно-механическая обработка, при которой продукты анодного растворения удаляются за счет механического воздействия вращающегося диска или движущейся ленты. Применяется в заготовительных цехах для разрезки заготовок из труднообрабатываемых металлов.

3. Электроабразивная (электроалмазная) обработка ведется абразивным или алмазным кругом на металлической связке. Применяется в инструментальных цехах для изготовления фасонного инструмента.

Наиболее широкое развитие получила первая разновидность – ЭХО в поточном электролите. Она используется при выполнении следующих работ:

1) при неподвижных электродах:

а) калибрование; б) контурная обработка;

в) удаление заусенцев; г) скругление кромок; д) маркировка.

2) при поступательном перемещении электрода:

а) копирование; б) прошивка отверстий; в) протягивание; г) калибрование; д) острение.

3) при вращении катода:

а) обработка плоских и фасонных поверхностей; б) отрезка; в) кольцевая вырезка.

4) при вращении анода:

а) обработка фасонных поверхностей (наружных и внутренних); б) обработка канавок (прямых и спиральных); в) отрезка.

5) при сложном движении электрода:

а) вырезка проволокой (стержнем); б) вырезка трубчато-контурным методом.

Наибольшее промышленное применение в настоящее время получили процессы копирования фасонных поверхностей и прошивки глухих и сквозных отверстий различного профиля, калибрование шлицевых отверстий после термообработки, удаление заусенцев, в которых используется ЭХО в проточном

электролите. Точность обработки составляет 0,2...0,3 мм.

Ультразвуковые методы механической обработки

Ультразвуковые методы обработки основаны на использовании энергии ультразвуковых колебаний частотой f=18...44 кГц и интенсивностью 10 Вт/см2. Источником ультразвука служат пьезокерамические или магнитострикционные

преобразователи, возбуждаемые от ультразвукового генератора. Разновидности ультразвуковой обработки (рис. 44): а) – обработка незакрепленным абразивом для снятия мелких заусенцев (менее 0,1 мм) и шлифования мелких деталей (массой менее 10...20 г); б) – размерная обработка деталей из твердых хрупких материалов абразивной суспензией; в) – очистка и смазка рабочей поверхности круга в процессе чистового шлифования вязких материалов; г) – сообщение вынужденных ультразвуковых колебаний малой амплитуды режущим инструментом (лезвийным и абразивным) для интенсификации обычных процессов резания труднообрабатываемых материалов.

Перспективно также использование ультразвука для чистовой поверхностно-упрочняющей обработки деталей. Под действием ультразвука снижается сопротивление поверхностных слоев металла пластической деформации. Поэтому при малой статической силе удается осуществлять значительную пластическую деформацию и вести обработку тонкостенных деталей и деталей с мягкими покрытиями.

При обработке по первой разновидности (рис. 5, а) детали помещают в абразивную суспензию и возбуждают в ней интенсивные ультразвуковые колебания. Под действием гидродинамических потоков абразивные зерна и детали из-за различной плотности двигаются с различными скоростями (va≠vд) и происходит снятие заусенцев. Этот процесс реализован в установках УЗВД-6 и УЗВД-8.

Рис. 5. Разновидности ультразвуковой обработки.

Наиболее широкое применение получили вторая и четвертая

разновидности. Инструмент 1 (рис. 5б) совершает ультразвуковые колебания (А=0,02....0,05 мм) и воздействует на заготовку 3 с небольшой статической силой Рстст=30...200Н). В рабочую зону подаются взвешенные абразивные зерна 2 (обычно карбиды бора), и наблюдается два основных процесса:

1) ударное вдавливание абразивных зерен, вызывающее выкалывание небольших частиц материала заготовки, и 2) циркуляция и смена абразива в рабочей зоне для уноса выколотых частиц и доставки свежего абразива. Размер выкалываемых частиц небольшой, однако количество ударов велико (18..44 кГц) и при определенных условиях обработка идет достаточно эффективно. Главное движение – колебания инструмента. Скорость (м/с) главного движения v=(4fA)/103, где f – частота колебаний, Гц; А – амплитуда колебаний, мм. Подача может быть продольной (Sпр), поперечной (Sпп) и круговой (Sкр) – вращение инструмента или заготовки. В зависимости от вида подачи, а также формы инструмента можно осуществить различные кинематические схемы ультразвуковой обработки, аналогичные процессу электроэрозионной обработки.

Ультразвуковые установки и станки делятся на переносные установки небольшой мощности и стационарные ультразвуковые станки – универсальные и специальные. Универсальный ультразвуковый станок состоит из ультразвукового генератора, акустической головки с пьезокерамическим или магнитострикционным преобразователем, механизмов подачи головки, стола для закрепления заготовок, системы подвода абразивной суспензии, устройств для измерения глубины обработки и периодического подъема и опускания инструмента.

Производительность и качество поверхности зависят от свойств обрабатываемых материалов, амплитуды колебаний А, зернистости абразива и статической нагрузки Р. Производительность процесса V пропорциональна квадрату критерия хрупкости tх. Материалы, имеющие tх более 2 (стекло, керамика, кремний, германий и т.д.), наиболее эффективно обрабатываются ультразвуковым методом. При увеличении амплитуды и частоты, а также зернистости абразива V возрастает. Существует оптимальное значение Р, при котором величина V максимальна.

Этот метод применяют для формообразования наружных и внутренних поверхностей деталей из твердых хрупких материалов (керамика, ситаллы, стекло, кварц, феррит и др.). Преимущество ультразвукового метода перед электроэрозионным и электрохимическим – возможность обработки диэлектрика, а при обработке тугоплавких металлов и твердых сплавов – более высокое качество поверхностного слоя. Для повышения производительности, особенно при обработке отверстий глубиной более 5 мм, применяют подвод абразивной суспензии под давлением или вакуумный отсос ее из зоны обработки. Обработку

глубоких отверстий малого диаметра (D=3...8 мм, h до 500 мм) целесообразно вести вращающимися алмазными коронками при сообщении инструменту ультразвуковых колебаний вдоль его оси.

Применение ультразвука для интенсификации обычных процессов резания труднообрабатываемых материалов путем сообщения вынужденных колебаний малой амплитуды (А=3...10 мкм) инструменту 1 (рис. 5г) или заготовке наиболее эффективно при работе с малыми сечениями среза, например при нарезании резьбы метчиками. При сообщении метчику или раскатнику ультразвуковых колебаний снижается крутящий момент на (25...50%), улучшается качество обработанной поверхности и за счет уменьшения количества метчиков в комплекте в 1,5-3 раза повышается производительность процесса. Ультразвуковое нарезание резьб малого диаметра (М3...М12) позволяет механизировать процесс, повысить стойкость инструмента, исключить брак, вызываемый поломками метчиков.

Перспективным направлением физико-химических методов является рациональное совмещение различных процессов, которое позволяет значительно интенсифицировать процесс обработки. Например, предложен способ, основанный на совмещении ультразвуковой и электрохимической обработки, который позволил значительно повысить производительность процесса и улучшить качество поверхностного слоя. При обработке тугоплавких металлов и твердых сплавов совмещенный способ обеспечивает производительность, в десятки раз более высокую, чем электрозионный способ, и в 5-6 раз большую, чем

ультразвуковой, позволяет в 5 раз снизить износ инструмента и в 3-5 раз уменьшить энергоемкость процесса. Появляется возможность заменить карбид бора значительно более дешевым абразивом – карбидом кремния. Установлено, что при ультразвуковой обработке твердых сплавов по сравнению с другими

электрофизическими методами достигается более высокое качество поверхностного слоя: образуются сжимающие остаточные напряжения. Поэтому повышаются износостойкость и усталостная прочность твердосплавных штампов, матриц, прессформ, фильер и других деталей, обрабатываемых ультразвуко-

вым методом. Совмещенный метод реализован в ультразвуковых станках мод. 4Б772 и 4Д772Э.


 

А также другие работы, которые могут Вас заинтересовать

25402. Психосоциальная работа и ее роль в системе социальной работы. Основные психосоциальные технологии, используемые в деятельности специалиста по социальной работе 47.5 KB
  Психосоциальная работа и ее роль в системе социальной работы. на стыке социальной работы и практической психологии возникла новая отрасль психосоциальная работа задача которой преодоление социальной дезадаптации человека оздоровление межличностных отношений в профессиональной и семейнобытовой сферах. В центре внимания психосоциальной работы находится психика человека которая обобщенно понимается как система управления индивидуальной жизнью и поведением то есть жизнедеятельностью. Центральный тезис психосоциальной работы здоровая...
25403. Место, роль и виды педагогической деятельности в системе социальной работы 26.5 KB
  Место роль и виды педагогической деятельности в системе социальной работы. Содержание деятельности специалиста по социальной работе охватывает широкий круг вопросов – от адресной помощи клиенту в преодолении трудных ситуаций восстановлении и сохранении физических и душевных сил до обучения социальным навыкам формирования умений самостоятельно решать проблемы ставить и достигать цели оказывать поддержку не только взрослым но и детям. Взаимосвязь педагогики и социальной работы поразному трактуется в отечественной и зарубежной литературе....
25404. Медико-социальная работа 44.5 KB
  Медикосоциальная работа принципиально изменяет характер комплексной помощи в сфере охраны здоровья предполагая системные медикосоциальные воздействия на более ранних этапах развития болезни и социальной дезадаптации являющихся потенциальными причинами тяжелых осложнений инвалидности и летального исхода. Цель медикосоциальной работы достижение максимально возможного уровня здоровья функционирования и адаптации лиц с физической и психической патологией а также неблагополучных в социальном плане. Объекты медикосоциальной работы ...
25406. Этнографические аспекты социальной работы 18.08 KB
  Этнографические аспекты социальной работы. В Российской Федерации проживают разные этнические группы отличающиеся не только по внешним признакам но и по многим другим особенностям: конфессиональной принадлежности менталитету языку обычаям традициям а следовательно и профессиональная среда социальной работы полиэтнична что требует от специалиста по социальной работе определенной подготовки а именно этнокультурной компетентности. Кроме того изучением этносов занимается этнология наука изучающая процессы формирования и развития...
25407. Демографические аспекты в социальной работе 66 KB
  Состав населения это распределение людей образующих население по группам в соответствии со значениями того или иного признака и по любому другому признаку по полу возрасту и т. На сегодняшний день численность населения в мире составляет более 6 млрд. причем городского населения 381900чел. Предмет демографии был определен учеными в XX веке 90х годов которым является воспроизводство населения т.
25408. Технологии организационно-административной работы в системе социальных служб, учреждений и организаций 69.5 KB
  Цель деятельности организаций в системе социальной поддержки – установление устойчивых и упорядоченных связей между различными уровнями системы призванной обеспечить нуждающихся в помощи. К системе социальных служб учреждений и организаций можно отнести: Центры помощи детям оставшимся без попечения родителей; Социальные приюты; Центры психологопедагогической помощи населению; Телефоны доверия; Центры социальной помощи на дому; Дома ночного пребывания; Специальные дома для пожилых; Стационарные учреждения социального обслуживания;...
25409. Региональная социальная политика: сущность и содержание 17.66 KB
  Социальная политика – это одно из главных направлений внутренней политики государства призванное обеспечить воспроизводство тех социальных ресурсов из которых черпает себе поддержку создает предпосылки для своей деятельности и стабильности общественной системы. Факторами серьезно влияющими на реализацию государственной в том числе социальной политики являются значительные географические и климатические различия российских регионов которые накладывают свой отпечаток на условия деятельности и образ жизни населения. Характеристика...
25410. Механизмы реализации социально-правовой политики в Республике Хакасия 45 KB
  Механизмы реализации социальноправовой политики в Республике Хакасия Формирование и функционирование механизма реализации социальноправовой политики определяется объективными потребностями и тенденциями общественного развития. Особый интерес для нас представляют нормативноправовые акты в части социальной защиты населения в Республике Хакасия. Законодательство Республики Хакасия о социальном обслуживании населения основывается на общепризнанных принципах и нормах международного права Конституции Российской Федерации Федеральном законе Об...