Міністерство освітиі науки України
Чернігівськийдержавний технологічний університет
Кафедра ТМ
Розрахунково-графічнаробота
з дисципліни:«Технологія та обладнання нетрадиційної обробки»
на тему:«Обробка криволінійних отворів у важкооброблюваному матеріалі»
Виконав:
ст. гр. ТМ–001
Івашньов О.В.
Перевірив:
Доцент
Микитенко М.Ф.
Чернігів 2003
Содержание
Задание. 3
1. Электроэрозионная обработка. 4
1.1 Описание процесса. 4
1.2 Производительность. 16
1.3 Точность. 18
1.4 Качество поверхности. 19
2. Электрохимическая обработка. 21
2.1 Описание процесса. 21
2.2 Точность. 28
2.3 Шероховатость. 30
3. Электроэрозионно-химическаяобработка. 33
Заключение. 35
Список использованнойлитературы… 36
Задание
Согласно индивидуального задания провести анализ 3 – 4методов нетрадиционной обработки.
Задание:
Получить криволинейное отверстие в труднообрабатываемомматериале.
1. Электроэрозионная обработка
1.1 Описание процесса
При электроэрозионной обработке для разрушения металла,снимаемого на данной операции слоя, используется электрический разряд,возникающий при прохождении электрического тока через диэлектрическую среду.Сопутствующее электрическому разряду физическое явление, заключающееся впереносе материала электродов и приводящее к разрушению поверхности одного изних – токопроводящего обрабатываемого, называется электрической эрозией.Поэтому этот способ электрической обработки называется электроэрозионным.
/>
Рис. 1. Схема электроискровой обработки
Электроэрозионная обработка осуществляется включениеминструмента и обрабатываемой заготовки в цепь электрического колебательногоконтура, преобразующего непрерывный постоянный ток в импульсы требуемой мощностии частоты. Для этого вначале использовалась только релаксационная схема (рис.1); в этом случае конденсатор накапливает электрическую энергию и затем быстроотдает ее, развивая большую мгновенную мощность. Учитывая это, электрическуюсхему делят на два контура; I – зарядный и II – разрядный. Зарядка конденсатораС производится постоянным током, поступающим от генератора или выпрямителячерез реостат R; обмотки конденсатора соединены с заготовкой 3 и инструментом1. Между ними возникает искровой разряд, при этом процесс эрозии имеет ярковыраженный полярный эффект, вследствие которого один электрод (заготовка)разрушается значительно больше другого (инструмента). Форма и размерыразрушения электрода-заготовки достаточно точно воспроизводят форму и размерыэлектрода-инструмента (рис. 1, б).
Электрический разряд происходит в жидкой среде 2(маловязких маслах, керосина, этиловом спирте и его водных растворах); жидкостьявляется одним из элементов, создающих механизм эрозионного разрушения, вместес тем она задерживает материал, переносимый при разряде, обеспечивает быстроеего удаление, а затем быстрое восстановление электрических параметров зазора ипонижает температуру катода. Помимо этого в жидкости при прохождении через нееразряда возникают газообразование и гидродинамические явления, создающиедополнительный взрывной эффект, облегчающий разрушение материала срезаемогослоя. При электроэрозионной обработке периодически образуются на обрабатываемойповерхности лунки, накладываемые друг на друга. Выброс металла всегдасопровождается образованием по краям кратера валика. Объем валика составляетоколо 40% объема лунки (рис. 1, в); его высота соизмерима с глубиной лунки(соответственно 0,2 и 0,22 мм), ширина (около 0,5 мм) равна верхнему радиусулунки. Если энергию импульса значительно увеличить (до 170 Дж), то навнутренних и наружных склонах валика образуются складки. Они являютсярезультатом растекания металла, выдавливаемого из лунки. Температура,возникающая в разрядном канале, чрезвычайно высока и намного превышаеттемпературу плавления и кипения любого обрабатываемого материала.
Причины образования кратеров при эрозионном разрушенииполностью не выяснены. Вначале была предложена гипотеза тепловой природыэлектрической эрозии, согласно которой искра плавит поверхностный слой иосуществляет его разрушение. Н. И. Лазаренко и Б. Р. Лазаренко разработалиэлектродинамическую теорию искровой электрической эрозии металлов. Они считают,что еще во время разряда под действием электродинамических сил в пораженном импульсомучастке анода происходит выброс металла не только расплавленного, но и втвердой фазе, только размягченного. Б. Н. Золотых дает другое объяснение:выброс материала при эрозии является результатом выделения растворенного вметалле газа и кипения его во всем объеме прогретой лунки.
Процесс электроэрозионной обработки разделяется на дваэтапа – съем материала и вынос продуктов обработки из рабочей зоны. Оба этапапредставляют собой сложный комплекс физических явлений, в основе которых лежатэлектротермические процессы.
Электроэрозионное разрушение состоит из двух основныхявлений: 1) электрических, приводящих к возбуждению в жидкой диэлектрическойсреде разряда, и 2) тепловых, вызывающих действие электрического разряда назаготовку.
Электрические явления в рабочем зазоре протекают в двестадии.
1. Подготовка и образование канала сквозной проводимости.При этом происходит вытягивание вдоль силовых линий электрического полямостиков из токопроводящих частиц, находящихся в жидкости во взвешенномсостоянии; нарушение диэлектрической прочности масляной пленки, наступающее приопределенном критическом напряжении; постепенное формирование токопроводящегомостика, сопровождающееся ростом силы тока до тех пор, пока мостик невзрывается с образованием ионизированного, хорошо проводящего канала,позволяющего пропустить ток большой силы. Это сопровождается интенсивнымнагревом канала и увеличением его диаметра со скоростью распространения ударнойволны. Следовательно, причиной образования канала проводимости является неоднородностьжидкости.
Таким образом, первая стадия разряда включает в себя двефазы – фазу пробоя (10-8 – 10-7 с) и фазу неустойчивого искрового разряда,проходящего в фазу искродугового разряда (10-4 с). Осциллограммы процессаискрового разряда показывают, что он представляет собой нестационарный дуговойпроцесс. Для электроискровой обработки эта стадия является завершающей; для электроимпульсной– начальной.
2. Стадия дугового разряда. Электрические процессыхарактеризуются тем, что ток принимает установившееся значение, его величинаопределяется только кривой питающего напряжения. Это приводит к большимплотностям тока. Электрическая дуга в этом случае являетсявысококонцентрированным преобразователем электрической энергии в тепловую.Объемная концентрация мощности в этом преобразователе составляет 300 кВт/мм2, аэнергия – до 30000 Дж/мм3. Температура канала разряда в этом случае примерно5000 °С и более.
Относительная величина съема материала с анода и катодаопределяется электрическими режимами и теплофизическими константами ихматериалов. Для второй стадии дуговой наибольший съем металла имеет место в томслучае, когда заготовка является катодом. Следовательно, для электроискровойобработки определяющее влияние имеет первая стадия, поэтому оптимальной являетсяпрямая полярность, когда заготовка служит анодом. Напротив, дляэлектроимпульсной обработки решающее значение имеет вторая стадия; поэтомуоптимальной является обратная полярность (заготовка – катод).
Теплоту, подводимую к электродам, можно представить ввиде объемных и поверхностных источников энергии. Объемные источники, т. е. источники,действующие в каждой единице объема электрода, обусловлены эффектомДжоуля-Ленца. Наибольшие температуры в этом случае будут у поверхности,поскольку объемная плотность тока у поверхности резко увеличивается.Поверхостные источники возникают вследствие передачи теплоты из канала разрядана поверхность; распространение его в глубь электрода происходит благодарятеплопроводности. В зависимости от характера протекания тепловых процессов приэлектроэрозионной обработке съем материала осуществляется следующим образом:
1) путем нагрева поверхности электрода до температурыплавления и непрерывного удаления металла по мере плавления в капельномсостоянии (рис. 2, кривая 1);
2) в результате нагрева поверхности электрода дотемпературы плавления, но с последующим скоплением металла и удалением его вкапельном состоянии в конце разряда (кривая 2).
3) удалением материала, когда до окончания разряда происходитего вынос только путем «спокойного испарения» (кривая 4);
4)удалением материала, когда наряду с капельным выбросомв конце разряда имеет место в процессе разряда «спокойное испарение» (кривая 3);
/>
Рис. 2. Зависимость толщины снимаемого слоя h отдлительности импульса t и С
5)путем взрывного испарения. Силы, достаточные длявзрывного выброса металла при электрической эрозии, получаются при большихтоках и мощностях импульса или при средних токах и мощностях, но длительномразряде. Электродинамические силы имеют наибольшую величину у поверхности и темсамым препятствуют выбросу металла. Вследствие этого жидкий металл находитсяпод повышенным давлением и температура его кипения повышается. В результатеэтого образуются центры испарения, что приводит к взрывному испарениюмикрообъемов, лежащих ниже наружной поверхности, и к выбросу жидкого металла ввиде капель. При малых токах и мощностях электродинамические силы малы; в этомслучае эрозионное разрушение происходит путем спокойного испарения. Напротив,при кратковременных разрядах и относительно больших мощностях удаление металлаиз лунки происходит в виде струй паров, образующихся путем взрывного испаренияматериала поверхностного слоя. Процесс съема зависит не только от длительностиимпульса, но и от его мощности. Так, скоростная киносъемка показывает, что примощностях 300 Вт видна светящаяся зона, свидетельствующая о «спокойномиспарении», дальнейшее повышение мощности дает выброс в виде капель металла, апри 1000 Вт и более имеет место съем металла в виде струй паров. Изменениеспособа съема металла увеличением мощности импульса в 6 раз (с 300 до 1870 Вт)дает повышение удельного объема снимаемого металла в 32 раза.
Следовательно, решающее значение в эрозионном разрушенииимеет теплота, выделяемая в процессе разряда. Она приводит к интенсивномугазовыделению, возникновению силы сжатия при действии тепловой волны ипоявлению термокапиллярных сил. Наряду с этим при эрозионном разрушениидействует большое число других физических процессов. Например, раскаленноеднище анода вступает в химическое взаимодействие с раскаленной плазмой, образуяхимические соединения; последние под действием электрического тока диффундируютглубоко в толщину анода. В результате этих процессов обрабатываемая поверхностьпри электроэрозионной обработке представляет собой ряд лунок отвердевшегометалла; на нее накладываются сфероидальные оплавленные выступы, представляющиесобой приваренные диспергированные частицы металла. Поверхность покрываетсятемной пленкой из осевших и спекшихся с металлом электрода мельчайших частицпродуктов пиролиза керосина, имеющей следы оголенных оплавленных участков.Эрозионностойкая пленка, постепенно покрывая рабочую поверхность электрода,защищает его от термического воздействия разряда. Поэтому, подбирая оптимальныережимы, можно осуществить электроэрозионную обработку с пониженным износоминструмента. В этом случае необходимо получить динамическое равновесие, с тем,чтобы среднее количество образующейся пленки равнялось ее убыли за счет эрозии.Рассмотрение строения пленок показывает, что продукты пиролиза и образующаясяна аноде пленка имеют кристаллическую структуру. Образование этой пленкивызвано распадом рабочей среды под действием электродов после окончанияразряда. В зависимости от свойств среды образование пленки протекаетпреимущественно или на аноде, или только на катоде. Структурная схемаэлектроэрозионной обработки показана на рис. 3.
Электроэрозионная обрабатываемость является определеннымсвойством данного материала, так как при изменении параметров импульсаизменяется абсолютное число импульсов, необходимых для выброса 1 см3обрабатываемого материала; однако относительный порядок их расположенияостается неизменным. Интенсивность эрозионного разрушения определяется: 1)теплофизическими параметрами обрабатываемого материала (температурой и теплотойплавления и испарения, теплоемкостью и теплопроводностью); 2) режимамиобработки – электрическими (энергией, длительностью и частотой действияимпульса) и механическими (кинематикой обработки, режимами подачи, жесткости) и3) свойствами межэлектродной среды (электропроводностью, текучестью, вязкостью,насыщенностью газами и парами).
Электроэрозионной обработке поддаются толькотокопроводящие материалы; электроэрозионная обрабатываемость материаловопределяется критерием Палатника:
/>
где с – теплоемкость в кал·г/град;
g– плотность в г/см3;
l– теплопроводность в кал·см2/град·г;
Т – температура плавления металла в °С.
/>
Рис. 3. Структурная схема электроэрозионной обработки
Производительность электроэрозионной обработкихарактеризуется количеством снятого металла в единицу времени (измеряется вмм3/мин, г/мин); помимо обрабатываемости материала она зависит от режимовобработки и в первую очередь от мощности N, реализуемой в межэлектродномпромежутке:
W = CN,
где
N = Аf,
С – коэффициент, определяющий влияние всех другихфакторов и прежде всего теплофизических свойств материала;
А – энергия единичного импульса в Вт·с;
f – частота действия импульсов в Гц.
/>
Рис. 4. Способы улучшения эвакуации продуктов обработкииз межэлектродного промежутка: а – нагнетанием жидкости сквозь полыйобрабатывающий электрод: б – созданием разрежения, выбрасыванием жидкости изсопла; в – нагнетанием жидкости через полый электрод и вокруг создаваемогоотверстия; г – нагнетанием и отсасыванием жидкости; д – использованием ступенчатогоэлектрода; 1 – диск для черновой обработки; 2 –диск для чистовой обработки.
Способ и скорость удаления продуктов разрушения из зоныобработки оказывает решающее влияние на производительность и точностьобработки. При электроэрозионной обработке удаление продуктов разрушения можетбыть естественным и искусственным. В первом случае удаление продуктовпроисходит под действием динамических сил электрического поля, а также давлениявыделяющихся газов. При изготовлении деталей с достаточно глубокими полостямиво многих случаях этого оказывается недостаточно. Поэтому применяетсяискусственная система удаления продуктов разрушения в виде специальных систем(рис. 4).
Производительность электроэрозионной обработки зависиттакже от сочетания видов металлов обоих электродов, площади и относительнойглубины обработки. При малой площади или большой относительной глубинепрошиваемого отверстия обильное газовыделение и образующиеся продуктыразрушения не позволяют задавать в рабочем зазоре значительные мощности. Поэтомуувеличение площади до определенного предела ведет к росту производительности.При очень больших площадях происходит снижение производительности вследствиеухудшения условий удаления продуктов эрозии из рабочего зазора; при этомскопления металлических частиц затрудняют бесперебойное повторение импульсов.Поэтому во всех случаях применяют системы принудительного циркулированияжидкости в рабочем зазоре, а также выполняют один электрод вибрирующим иливращающимся.
Интенсивность эрозионного разрушения определяетсяколичеством выделяемой за один разряд энергии, а также временем разряда: чемоно меньше, тем больше энергии концентрируется в одном разряде; вследствие чегоразряд имеет большую температуру и интенсивность съема металла. Передачатеплоты внутрь обрабатываемой поверхности требует некоторого времени. Этоопределяет оптимальное соотношение энергии и продолжительности разряда; онозависит от теплопроводности материала заготовки и его склонности к образованиюповерхностных разрушений при локальном нагреве. Продолжительность интерваловмежду импульсами определяется временем, необходимым для деионизациимежэлектродного зазора и удаления из него продуктов эрозии и газовых пузырьков.Большое значение при этом имеют гидро- и газодинамические процессы. Таким образом,основными параметрами периодических импульсов определенной формы являютсяпродолжительность импульса, скважность, амплитуда и частота.
Энергия импульса W (измеряется в Дж) определяетколичество материала, удаляемого при электроэрозионной обработке единичнымразрядом, т. е. размеры лунки.
Длительность импульса tи (измеряется в мкс) определяетвремя действия импульса по току или э. д. с. При электроискровой обработкеtи10-4 с. Значение длительностиимпульса определяет условия электроэрозионного разрушения и прежде всеготепловой режим, а также надежность удаления материала. При малых tи (додесятков микросекунд) энергия выделяется в течение очень короткого времени;поэтому температуры очень высоки и вместе с тем теплота не успеваетраспространиться внутрь детали. В этом случае происходит надежное удалениепродуктов разрушения. Поэтому малые длительности импульса применяются дляэлектроэрозионной обработки материалов с высокой температурой плавления илисклонных к образованию микротрещин (например, металлокерамических). Большиедлительности импульса (до нескольких тысяч микросекунд) применяются дляобработки обычных сталей и сплавов; в этом случае теплота проникает на большуюглубину и тем самым лучше расплавляет металл. Этот процесс электроэрозионнойобработки энергетически более выгоден.
Скважность импульса q определяется как отношение времени(периода) повторения импульса Т к длительности импульса tи, т. е. q=T/tи; иногдаприменяется обратный термин – коэффициент заполнения 1/q.
Следует различать скважность импульсов по току и по э. д.с; первая характеризует скважность импульсов под нагрузкой, вторая – нахолостом ходу. Для электроискровой обработки q>5–10, а для электроимпульснойq
Амплитуда А определяет максимальные значения тока инапряжения, получающиеся при каждом импульсе; при электроэрозионных методахобработки амплитуды импульсов тока составляют от долей до десятков тысяч ампер,а амплитуды импульсов напряжения – от десятков до нескольких сотен вольт.
Частота импульсов f определяется периодом, т. е. временеммежду началом действия смежных импульсов Т, т. е.
f=1/T Гц.
При электроэрозионной обработке f=0,5·102 – 2·106 Гц.
Рассмотренные параметры электроэрозионной обработки,связаны между собой следующими зависимостями:
/>
С повышением частоты при той же энергии импульса растетпроизводительность электроэрозионной обработки. Пределы роста частотыопределяются условиями деионизации рабочего зазора и удаления из него продуктовразрушения.
Непосредственный контроль параметров импульса в рабочемпромежутке затруднителен; поэтому во многих случаях режимы характеризуютсяпараметрами генераторов. Для обработки применяют генераторы двух типов.Генераторы I типа называются зависимыми или релаксационными; параметрызадаваемых ими импульсов (ток, напряжение) определяются нелинейностьюсопротивления рабочего зазора. Генераторы II типа называются независимыми илиимпульсными; задаваемые ими импульсы создаются без использования нелинейныхсвойств рабочего зазора. При релаксационных схемах параметры импульса характеризуютсяемкостью конденсаторов, величиной зарядного тока, напряжением; при импульсных –напряжением и силой тока в импульсе, длительностью импульса, частотой ихследования.
При электроэрозионной обработке происходит разрушениеодновременно и анода, и катода, т. е. заготовки и инструмента. Одним из средствснижения износа инструмента является применение униполярных импульсов, т. е.импульсов, при которых ток не меняет своего направления. Условно принятоназывать полярность прямой, если происходит преимущественно эрозионноеразрушение анода, и обратной, если происходит прежде всего разрушение катода.
1.2 Производительность
Производительность процесса электроэрозионной обработкиоценивается отношением объема или массы удаленного металла ко времениобработки.
Если бы удалось вести процесс при постоянной энергииимпульсов, производительность можно было бы оценить как произведение энергииимпульсов на их частоту. На практике условия протекания отдельного импульсамогут отличаться из-за различий в состоянии межэлектродного промежутка иразмера зазора, несоответствие между числом импульсов, выработанных генератороми реализуемых в зазоре.
Для получения высокопроизводительного режима необходимо,чтобы как можно больше импульсов участвовало бы в процессе эрозии.
Повысить производительность можно, если подобратьоптимальное сочетание факторов, позволяющих увеличить долю полезной энергииимпульса, его мощность и частоту следования рабочих импульсов. Для этогонеобходимо достичь оптимального соотношения между максимальным значением силытока в импульсе и его длительностью.
Зависимость: производительность – площадь обработки –мощность. При малой площади обработки число участков, на которых возможенразряд, значительно меньше, чем число импульсов, поступающих от генератора, таккак часть площади перекрыта газовыми перекрыта газовыми пузырями отпредшествующих разрядов. Время существования газового пузыря в 5…10 раз больше,чем длительность импульса. А разряд через газ возможен только при более высокомнапряжении, поэтому часть импульсов генератора не вызывает эрозии. Снижаетсяпроизводительность.
Если увеличивать площадь обрабатываемой поверхности, тоскорость съема материала металла будет возрастать, но в дальнейшем произойдетее снижение. Это объясняется тем, что с течением времени ухудшаются условияудаления продуктов обработки из межэлектродного промежутка. Все большее числоимпульсов генератора не будет вызывать эрозии из-за накопления газов иметаллических частиц в пространстве между электродами.
Количество продуктов обработки зависит также от энергииимпульсов, их числа и времени действия, т.е. от мощности, реализуемой вмежэлектродном промежутке. При малой мощности количество расплавленного металланевелико, с ростом подводимой мощности оно возрастает, но при этомувеличивается и количество продуктов обработки, которые тормозят процесс съемаметалла. Для получения высокой производительности необходимо правильно выбратьсочетание площади обрабатываемой поверхности и мощности. Такой выбор выполняютс помощью пространственных диаграмм в координатах силы тока – площадь обработки– производительность.
Зависимость производительности от глубины внедренияэлектрода-инструмента. По мере углубления отверстия усложняется удалениепродуктов обработки и поступление свежей жидкости в межэлектродный промежуток.Наличие большого количества электропроводных капель застывшего металла вызываетимпульсы, энергия которых тратится на расплавление таких частиц. Дляпредотвращения таких (паразитных) импульсов используют принудительную прокачкужидкости через межэлектродный промежуток под давлением 100…200 кПа.
Прокачку можно применять и при периодическом прекращениипроцесса с выведением электрода-инструмента из заготовки; используют такжевибрацию электродов, их вращение и др.
Влияние на производительность свойств рабочей среды. Взависимости от свойств рабочей среды изменяются доля полезного использованияэнергии импульса, его предельная мощность. Для каждого вида обработки применяютоптимальные диэлектрические среды. Так, при электроэрозионном процессе с малойэнергией импульсов высокую производительность обеспечивает дистиллированная итехническая вода, керосин; при грубых режимах на электроимпульсном режимеприменяют тяжелые фракции нефти (масла, дизельные топлива и др.) с высокойтемпературой вспышки (до 450 К).
В процессе обработки жидкая рабочая среда загрязняется,из-за чего снижается производительность. Загрязненность оценивают в процентномотношении массы продуктов обработки к массе жидкости. При загрязненности 4…5%для черновых и 2…3% для чистовых процессов производительность остаетсяпрактически одинаковой по сравнению с чистой средой. Дальнейшее возрастаниесодержания продуктов обработки, особенно на чистовых режимах приводит кснижению числа рабочих импульсов и производительности.
В процессе остывания частицы металла вызывают испарениечасти жидкости, изменение ее вязкости и зольности. Для поддержания высокойпроизводительности необходимо периодически заменять рабочую среду.
Для повышения производительности на обрабатываемойплощади может быть параллельно размещено несколько электродов-инструментов.Если они подключены к одному генератору импульсов, то такая обработканазывается многоэлектродной. При подключении каждого электрода к своемуисточнику энергии обработку называют многоконтурной.
1.3 Точность
Под точностью обработки деталей понимается степеньсоответствия ее формы и размеров чертежу. Отклонения от формы и размеровназывается погрешностью.
Также как и при механической обработке, на размерыпогрешности оказывают влияние состояние технологической системы, погрешностиустановки, базирования инструментов, внутренние напряжения в материалезаготовки, ее нагрев при обработке.
В процессе обработки форма и размеры электрода-инструментанарушаются из-за износа. Износ на различных участках инструмента различен. Так,на участках инструмента, имеющих вогнутость, число разрядов меньше,следовательно, износ на них будет выражен слабее. Если учесть условия выносапродуктов обработки из промежутка, то различия в износе различных участков ещеболее возрастут.
Чтобы снизить влияние износа электродов-инструментов наточность изготовления, а) изготовляют инструмент из материала, стойкого кэрозии, например из вольфрама, меднографита, коксографитовых композиций; б)используют так называемые безизносные схемы, при которых часть материалазаготовки или из рабочей среды осаждают на инструменте, компенсируя тем самымего износ; в) заменяют изношенные участки инструмента путем продольногоперемещения, или заменяют весь инструмент; г) производят правку и калибровкурабочей части инструмента.
1.4 Качество поверхности
В результате электроэрозионной обработки поверхностьприобретает характерные неровности, а приповерхностные слои металлапритерпевают физико-химические изменения. Это оказывает влияние наэксплуатационные показатели обрабатываемых деталей.
Поверхностный слой формируется за счет расплавленногометалла, оставшегося на поверхности лунки, и прилегающего к ней слоя металла,подвергнутого структурным изменениям от быстрого нагрева и охлаждения металла.Поверхностный слой состоит из так называемого белого слоя, в которомнаблюдаются химико-термические превращения, переходного слоя, в котором имелиместо только термические изменения и под которым находится неизмененный металлзаготовки. Измененная зона, образуемая белым слоем, содержит продуктыдиэлектрической среды, в частности углерод и элементы, входящие в составэлектрода-инструмента. У остальных заготовок в этой зоне образуются карбидыжелеза, которые способствую упрочнению поверхности.
Состояние поверхностного слоя определяет износостойкость,прочность и другие свойства детали в механизме. После электроэрозионнойобработки поверхностный слой приобретает свойства, по-разному влияющие наэксплуатационные характеристики деталей. Положительными являются повышениетвердости поверхности при сохранении вязкости середины, большое количестволунок на поверхности, плавное их сопряжение. К недостаткам следует отнестивозможность появления трещин, растягивающих напряжений, трудность полученияповерхности с малой шероховатостью.
/>
Схема электроэрозионной обработки криволинейногоотверстия: 1 – обрабатываемая заготовка; 2 – электрод-инструмент.
2. Электрохимическая обработка
2.1 Описание процесса
Электрохимический метод обработки создан советскимиинженерами В. Н. Гусевым и Л. П. Рожковым в 1928 г.; особенностью его посравнению с обычной электролитической схемой является наличие в зазореинтенсивного движения электролита при высоких плотностях тока (от десятков досотен ампер на 1 см2 обрабатываемой поверхности). Электрохимическая обработкаявляется перспективным методом изготовления деталей из труднообрабатываемых материалов;она обеспечивает шероховатость поверхности до 1,25 – 0,16 мкм и точностьобработки до ±20 мкм, а также большую производительность (до 1500 –2000мм3/мин). Электрохимическую обработку осуществляют следующим образом (рис. 5):заготовку 1 соединяют с положительным полюсом источника постоянного тока(анод); инструмент 2 (катод) является отрицательным полюсом; при этом профилькатода соответствует профилю поверхности, которую необходимо получить в результатеобработки. Заготовку и инструмент помещают в камеру, изготовленную изнеэлектропроводного материала. Подача электролита в зазор между анодом икатодом приводит к замыканию электрической цепи и в результате этого крастворению поверхности анода, т. е. обрабатываемой заготовки.
Основой электрохимической обработки является процесслокального анодного растворения, происходящий при высокой плотности постоянноготока в проточном электролите. При съеме материала происходит изменениеконфигурации межэлектродного зазора, что вызывает перераспределение плотностиэлектрического тока, изменение гидродинамических условий и как следствие этого– копирование профиля катода. Интенсивное движение жидкости обеспечиваетстабильный и высокопроизводительный процесс анодного растворения, выноспродуктов растворения из рабочего зазора и отвод теплоты, возникающей во времяобработки.
/>
Рис. 5. Схема (а) и установка (б) для электрохимическойобработки: 1 – камера-контейнер; 2 – электродвигатель системы подачикатода-инструмента; 3 – винт, 4 – катод-инструмент для обработки впадинылопатки; 5 – заготовка; 6 – манометр; 7 – катод и инструмент для обработкиспинки лопатки; 8 – распределительная камера; 9 – насос для подачи электролита;10 – ванна с электролитом; 11 – теплообменник; 12 – центрифуга; 13 – подпорный вентиль.
Электрохимическую обработку осуществляют на специальнойустановке, состоящей из источника питания постоянным током, гидросистемы,подающей электролит в рабочий зазор, механизма, обеспечивающего заданнуюкинематику процесса и контрольных устройств. Для получения достаточно большихплотностей тока необходимы агрегаты, дающие напряжение 5–30 В; это требуетзащиты и изоляции токопроводящих частей и камеры от остальной части установки.Для электрохимической обработки, требующей больших величин силы тока (10 000 Аи выше), при проектировании электросистемы следует уделять особое вниманиеразработке рациональной системы подвода тока к электродам с минимальнымипотерями. К системе гидрооборудования относятся системы для подачи электролитаи для прокачки охлаждающей жидкости, а также очистные устройства (фильтры,отстойники, центрифуга). Электрохимический метод используют для обработкинаружных и внутренних поверхностей деталей (рис. 6).
/>
Рис. 6. Схемы электрохимической обработки: а – обработкаплоской поверхности при поступательном движении инструмента и неподвижнойдетали; б – обработка цилиндрической фасонной поверхности при подачеинструмента и вращении детали; в – кольцевое сверление при подаче инструмента инеподвижной детали; г – сверление глухого отверстия, когда инструмент и детальнеподвижны, д – обработка кольцевого паза, когда инструмент вращается, а детальнеподвижна; е – нарезание внутренних спиральных канавок привращательно-поступательном движении инструмента и неподвижной детали; 1 –катод; 2 – изоляционный слой; 3 – деталь; 4 – медная трубка, покрытая слоемрезины (катод); 5 – патрубок отвода электрода; 6 – патрубок подвода электролита.
Во всех схемах обработки подача электрода осуществляетсянепрерывно по заранее заданному закону или регулируется в зависимости отинтенсивности съема металла, сохраняя при этом оптимальную величину зазорамежду электродами. Последний метод исключает, с одной стороны, замыканиеэлектродов и, с другой – значительно увеличивает интенсивность растворения ипоэтому является наиболее производительным. Для осуществления такого родаобработки применяют автоматические следящие системы.
Контрольные устройства должны обеспечивать измерениеважнейших параметров процесса в течение всего цикла обработки и прежде всегосилы тока, его напряжения, температуры и скорости движения электролита, егозначения рН, характеризующего щелочность или кислотность электролита.
С физической точки зрения в основе процессаэлектрохимической обработки лежит явление электролиза. Анодное растворениеметаллов происходит под действием электрического тока, проходящего черезэлектролит, если в электролит погрузить электроды, соединенные с источникомпостоянного тока. При этом на аноде возможны два процесса: 1) атомы металла,отдавая электроны во внешнюю электрическую цепь, заряжаются положительно; ионыметалла вследствие электрической упругости растворения непосредственнопереходят в раствор; 2) анионы раствора реагируют с металлом электрода и затем,уже в виде определенных химических соединений, переходят в электролит. Дляэлектрохимического формообразования деталей используют второй процесс; в этомслучае под действием внешней э. д. с. слабосвязанные электроны из атомовповерхностного слоя уходят во внешнюю электрическую цепь, разрывая связь этихатомов с массой металла. Положительно ионизированные атомы вступают в реакцию санионами электролита, образуя соединения, которые или растворяются вэлектролите, или создают на поверхности пленку. Анодное растворениеметаллических сплавов под действием постоянного тока в водном раствореповаренной соли NaCl приводит к тому, что в процессе обработки при участии ионахлора Сl– образуется промежуточное соединение с обрабатываемым металлом (Fe,Ni, Сr и др.). Ионы хлора образуют с железом комплекс [FeOH]+Сl–, который вдальнейшем реагируя с ионом ОН– переходит в раствор в виде гидрата закиси железа:
[FeОН]+ Сl– + ОН– è Fe(ОН) 2 + Сl–.
Гидрат закиси переходит в гидрат окиси железа и выпадаетв осадок:
4Fe (ОН)2 + О2 + 2Н2О è 4Fe (OH)3.
Аналогичные реакции имеют место и с другими элементамиобрабатываемого материала.
Во всех случаях на катоде происходит восстановлениеводорода согласно реакциям:
Н+ + е èН; Н +Н èН2.
Выделяющийся на катоде водород при открытом способеэлекрохимической обработки из-за разбрызгивания представляет опасность с точкизрения техники безопасности, и поэтому требует устройства вытяжной системы. Призакрытом способе обработки, в камерах водород удаляется с потоком электролита.
Отходы, образующиеся при электрохимической обработке,представляют собой пастообразную массу болотного цвета, содержащую 60–80% воды,8–10% электролита (например хлористого натрия) и 12–20% окислов и гидратов ввиде частичек тонкой фракции.
Структурная схема электрохимической размерной обработкипредставлена на рис. 7.
Производительность электрохимической обработкиопределяется количеством вещества, растворенного под действием тока; согласнозакону Фарадея оно прямо пропорционально количеству электричества, прошедшегочерез раствор электролита
G = kIt г,
где k – весовой электрохимический эквивалентобрабатываемого материала в г/а*ч;
I – сила тока в А;
t – время обработки в ч.
/>
Рис. 7. Структурная схема электрохимической обработки.
Для повышения интенсивности съема металла с анодаприменяют ток большой плотности, доходящей в отдельных случаях до 200 – 250А/см2. Однако повышение скорости растворения металла при увеличении аноднойплотности тока ограничено вторичными процессами, сопутствующими анодномурастворению. К ним относится покрытие поверхности анода продуктами солей,которые образуются при анодном растворении. При увеличенных плотностях тока онивыделяются в большом количестве и поэтому не успевают раствориться вэлектролите. Это явление, называемое механическим пассивированием, определяетпредел повышения производительности электрохимической обработки за счетувеличения плотности тока, так как этот слой обладает значительнымэлектрическим сопротивлением.
Обрабатываемость материалов электрохимическим процессомопределяется видом образующейся на поверхности детали пленки. По этой причинезатруднена обработка этим методом титановых сплавов, так как титан и его сплавыобладают большой склонностью к пассивации в водных растворах электролитов.Наиболее вероятной причиной пассивации титана в этих средах являетсяобразование на его поверхности защитной пленки, не растворимой в воде иразбавленных кислотах и препятствующей прямому контакту между электролитом иметаллом. Для оценки электрохимической обрабатываемости материала по этомупараметру можно применить поляризационные кривые снимаемые потенциостатическимспособом. Сущность способа заключается в определении плотности внешнегополяризационного тока или скорости анодного металла при задаваемом постоянномзначении потенциала. При этом можно определить потенциал металла, при которомон начинает переходить из активного состояния в пассивное, и потенциал полногопассивирования.
Интенсивность растворения анода зависит также от скоростидвижения электролита. По мере увеличения скорости движения электролита доопределенной величины происходит повышение съема металла. Это объясняется тем,что продукты анодного растворения, обладающие значительным омическим сопротивлением,быстрее уносятся из рабочего зазора. Подача свежего электролита междуэлектродами повышается, и соответственно увеличиваются фактическая плотностьтока и съем металла. При достижении некоторой предельной величины скоростидвижения электролита фактор удаления продуктов растворения уже не оказываетзаметного влияния на электропроводность раствора, и величина съема металлафактически остается постоянной.
2.2 Точность
Точность электрохимической обработки определяетсяпогрешностями изготовления катода и установки заготовки, степенью поддержанияпостоянства температуры и скорости движения электролита как по времени, так ипо отдельным точкам обрабатываемой поверхности, неравномерностью движенияэлектрода, а также рядом других факторов, определяющих устойчивость процессаэлектрохимического растворения. К ним относятся, например, равномерностьподдержания зазора оптимальной величины и постоянство плотности тока. Изменениевыхода металла по току в зависимости от его плотности, обусловленное явлениямипассивации и поляризации, приводит к возникновению дополнительных погрешностей.Конструкции входного и выходного отверстий для электролита должны обеспечиватьравномерность движения потока в рабочем зазоре, избегая ее турболизации. Наиболееблагоприятные условия для равномерного протекания жидкости в межэлектродномпромежутке создаются при закрытом способе обработки, когда электроды полностьюпогружены в электролит; при этом увеличивается съем металла, улучшаетсяточность и снижается шероховатость поверхности. При открытом способенаблюдается известное колебание силы тока, что свидетельствует о периодическомоголении в некоторых местах поверхности электродов.
Определенное влияние на точность обработки оказываетнеравномерность снимаемого припуска, так как в начале обработки выступающиеучастки катода располагаются ближе к плоской поверхности заготовки (анода).
Вследствие этого на этих участках за счет меньшегосопротивления электролита проходит ток большей плотности, что ведет к болееинтенсивному местному растворению. Таким образом, для того чтобы обработатьзаданную конфигурацию детали, необходим дополнительный слой металла; толщинаего определяется степенью неравномерности припуска и требуемой точностьюобработки. Поэтому заготовки, поступающие на обработку, должны иметь минимальнонеобходимый припуск. Он может быть определен по методике, аналогичнойметодике, предложенной проф. А. П. Соколовским для определения точностимеханической обработки, или по экспериментальной зависимости, представленной нарис. 8.
/>
Рис. 8. Зависимость величины минимально-необходимогоприпуска Zmin от максимального зазора sZ mах между электродами: 1 – dэ = 0,6 мм; 2 – dэ = 0,3 мм
Интенсивность выравнивания припуска характеризуетсяразностью скоростей съема металла на выступах и впадинах; исходя из законовФарадея и Ома.
Точность размеров детали и воспроизводимость профилякатода зависят и от локализации процесса, которая определяется составомэлектролита, плотностью тока, межэлектродным промежутком, характером рабочейповерхности электрода-инструмента и способом изоляции нерабочей части его. Дляэтого используются покрытие катодов эмалью, капроном, фторопластом-3 иустановка эбонитовых втулок. Осаждение на поверхности электрода-инструментамалейшего слоя металла существенно влияет на точность воспроизводимого профиля.Инструмент-катод изготовляют из различных хорошо токопроводящих материалов(меди и ее сплавов, латуни, нержавеющей стали и др.). При монтаже катодаследует обеспечивать его изоляцию для защиты от блуждающих токов. Припроектировании катода-инструмента надо вводить соответствующую корректировкуего формы: например, если необходимо получить плоскую поверхность, тоиспользуют электрод-инструмент со слегка выпуклым профилем, так как металлбыстрее удаляется с краев заготовки. Кроме того, следует учитывать, что острыеуглы на поверхности электрода-инструмента на детали не воспроизводятся, местапереходов получаются с радиусом не менее 0,2 мм. При изготовлениицилиндрических отверстий надо предусматривать корректировку возникающейконусности. Отсутствие практически износа электрода-инструмента способствуетбольшей точности электрохимического метода обработки.
2.3 Шероховатость
Шероховатость поверхности, получающейся послеэлектрохимической обработки, обычно не высока и достигает 1,25 – 0,16 мкм. Оназависит от шероховатости поверхности заготовки и величины припуска, кроме того,на ее величину влияют и другие факторы. Так, с увеличением скорости движенияэлектролита шероховатость поверхности снижается. Увеличение плотности тока принеизменной скорости движения электролита повышает шероховатость поверхности. Поэтомудля получения высокого класса чистоты поверхности при электрохимическойобработке повышение плотности тока должно сопровождаться увеличением скоростидвижения электролита. В процессе обработки происходит сглаживание поверхностныхнеровностей по мере удаления слоев металла с поверхности обрабатываемойзаготовки. Эффект сглаживания можно объяснить наличием на поверхности деталитонкого прианодного слоя, отличающегося пониженной электропроводностью.
Наряду с высокой чистотой поверхности электрохимическая обработкане приводит в отличие от обработки резанием к появлению в поверхностном слоемикротрещин и остаточных внутренних напряжений. Это объясняется отсутствиемзначительной нагрузки в системе заготовка–инструмент. Усилия, возникающие врабочем зазоре при циркуляции электролита с большой скоростью, не вызываютникаких изменений физико-механических свойств поверхностного слоя. Приэлектрохимической обработке сложных по структуре жаропрочных сплавов (например,никелевых) отдельные фазы подвергаются анодному растворению в разной мере.Поэтому в процессе анодного растворения выявляются форма зерен и наличие разныхфаз; оба явления ведут к снижению качества поверхности. Это относится и кразличным включениям, которые также приводят к неравномерному съему и образованиютаких дефектов, как местное растравливание, питтинги, межкристаллитная ивнутрикристаллитная коррозия. Наиболее заметны эти дефекты в зонах обработки,имеющих малые плотности тока; при увеличении плотности тока растравливаниеуменьшается. Улучшение качества поверхности в этом случае объясняется влияниемвязкости концентрированного слоя продуктов растворения анода на электрическуюмиграцию ионов. Повышение температуры электролита приводит к формированию наповерхности плохо удаляемого слоя и увеличению степени растравливания. Онаповышается также с ростом содержания примесей в сплаве. Подбор оптимальныхрежимов практически исключает эти отрицательные явления. Так, при обработкесплава ЭИ437Б происходило растравливание металла по границам зерен; повышениеплотности тока до 50–60 А/см2 ликвидировало это явление.
После электрохимической обработки поверхность имеетматовый оттенок; это требует проведения последующего полирования. Причинойматовости является образование на поверхности тонких пленок; их химическийсостав определяется реакциями, протекающими между материалом детали иэлектролитом в процессе анодного растворения; толщина пленок равна примерно0,003 мм.
/>
Схема электрохимической обработки криволинейногоотверстия: 1 – электрод-инструмент; 2 – обрабатываемая заготовка.
3. Электроэрозионно-химическаяобработка
Электроэрозионно-химическая обработка основана насочетании электроэрозионной и электрохимической обработки. Применение вкачестве рабочей жидкости электролита позволяет при одинаковых напряженияхзначительно увеличить межэлектродный зазор. Это улучшает условие удаленияпродуктов эрозии; кроме того, этому способствует уменьшение их размеров вследствиеих частичного растворения.
Механизм возникновения пробоя в электролите резкоотличается от пробоя в диэлектрике, так как электролит обладает весьма большойпроводимостью. Поэтому в этом случае для создания пробоя необходимо наличиеплохо проводящего слоя между электродами и электролитом. Производительностьэтого метода обработки определяется соотношением между током эрозии и токоманодного растворения.
Особые требования при этом методе обработки предъявляютсяк материалу инструмента; он должен быть теплостойким и прочным и обеспечиватьпрочное сцепление восстановленного слоя инструмента. Этим требованиямудовлетворяет графит (например, марки ЭЭГ). Для восстановления инструментарекомендуется вводить в электролит газ, содержащий углерод (пропан). В этом случаепри химическом разложении на поверхности инструмента осаждается пироуглерод илипирографит. Введение газа снижает износ инструмента с 2,0–2,5% до 0,5–09%.Следует учитывать, что во всех случаях уменьшение доли эрозионного разрушенияведет к снижению интенсивности износа инструмента. Электроэрозионно-химическаяобработка рекомендуется для выполнения черновых операций, когда требованияточности изготовления невелики, например, для прошивания щелей, отверстий, оконв вырубных штампах, фильер и т. д.
Процесс анодного растворения создает хорошие условия дляпробоя промежутка, так как на катоде-инструменте имеется парогазовый слой.Эрозия обрабатываемой поверхности, в свою очередь, способствует удалениюпассивирующей пленки, значительно ускоряя диффузию и вынос продуктов обработки.
Электрическая эрозия сильно сказывается на размерахшероховатости поверхности. На ней возникают углубления, которые несколькосглаживаются анодным растворением. Энергоемкость такого метода значительнониже, чем электроэрозионного. Это объясняется лучшими условиями протеканияпроцесса и за счет этого снижением числа разрядов, не производящих удалениеметалла.
Заключение
Изобретение электроэрозионной обработки вот уже несколькодесятилетий позволяет машино- и приборостроителям решать сложныетехнологические задачи при изготовлении деталей сложной конфигурации изобрабатываемых материалов. ЭЭО позволяет конструкторам и технологам выбратьоптимальный вариант конструкции, материала детали и технологического процесса.
Список использованной литературы
1. Артамонов Б.А., Волков Ю.С. и др. Электрофизические и электрохимическиеметоды обработки материалов. Москва, «Высшая школа», 1983
2. Лившиц А.Л. Электроэрозионная обработка металлов. Москва, «Высшаяшкола», 1979
3. Подураев В. Н. И Камалов В. С. Физико-химические методы обработки. М.,«Машиностроение», 1973, 346 с.