Современные тенденции и совершенствование технологических процессов в машиностроении

Развитие машиностроения на современном этапе, для которого характерны частая сменяемость изделий, разнообразие и сложность технологических процессов, непрерывное повышение требований к качеству и к культуре производства, должно быть связано с качественным преобразованием технологий, способных существенно сократить время разработки, освоения производства нового изделия, повысить его качество и конкурентоспособность. Традиционные технологии в основе которых лежит механическое воздействие на материал детали, достигли значительного уровня развития. Последующие работы в этом направлении дают лишь незначительные улучшения технологических процессов и качества изделий. Значительно позднее получили широкое применение электрические методы обработки материалов, однако они весьма энергоемки.

     В последние годы сложился новый подход к созданию нетрадиционных высоких технологий на базе новых физических явлений, позволяющих изменить форму и качество детали. Высокие технологии из множества инноваций (новой техники и новейшей технологии) считаются наиболее перспективными и эффективными, реализующие максимальные и минимальные параметры обработки с применением соответствующей техники в производстве и потреблении.

     Под высокими технологиями принято понимать так же технологии которые формируются на базе высокой наукоемкости, включая физическое и математическое моделирование с целью их оптимизации, высоко эффективного технологического процесса обработки, качество компьютерной среды, автоматизации работ, экологической чистоты при соответствующем технологическом обеспечении и квалифицированном обслуживании (диагностика, управление, специальная подготовка персонала), а также гарантированности безотказной службы изделий, обладающих высшим уровнем функциональной пригодности, эстетичности и экологичности. Создание высоких технологий связано с конструктивными особенностями изделий и необходимости обеспечивать их наивысшие технические характеристики при эксплуатации. При условии экономической эффективности обеспечивается конкурентоспособность изделий и технологий. 

     В тоже время обеспечение высокой эффективности изготовления и использования изделий в течении всего срока эксплуатации требует принципиально новых технологических решений. Машиностроительное производство использует высокие технологии, в основе которых лежат технологические способы с разными физическими явлениями: механические, тепловые, физические, магнитные, ядерные. Среди них есть традиционные методы формообразования, в основе которых лежит механическое воздействие на материал детали, так и новые нетрадиционные методы, сочетающие последние достижения в области физики и химии, комбинированные технологии, нанотехнологии, прототипирование, совмещенный и прецизионные технологии. Рассмотрим некоторые из них:

     Сочетание механического воздействия с магнитным полем позволило разработать магнитно-абразивную обработку. Магнитно-абразивной обработкой можно осуществлять шлифование, полирование, удаление заусенцев, местных дефектов, скругление кромок, а также обрабатывать малогабаритные (диаметром до 20 мм) детали вращения фасонного и сложного профиля из различных материалов (легированных, жаропрочных, закаленных сталей, серых, ковких высокопрочных чугунов). Данный метод позволяет получать поверхности с шероховатостью Ra = 0,03…0,16 мкм, при значительной толщине удаляемого припуска 2…3 мм способен конкурировать с известными и широко распространенными абразивными процессами. Сущность процесса заключается в том, что между полюсами магнита размещается обрабатываемая заготовка и твердый ферромагнитный абразивный порошок. Абразивные частицы своей длинной стороной располагаются вдоль силовых линий, что обеспечивает большие передние углы, значительно превышающие передние углы абразивных зерен при обычном шлифовании. Магнитное поле обеспечивает силовое воздействие абразивных зерен на обрабатываемую заготовку, осуществляя не только процесс диспергирования стружки, но и упрочнения поверхности детали. Шлифование или полирование может производиться при вращательном движении обрабатываемой заготовки или при вращательном движении магнитов и неподвижной заготовки. В качестве абразивного порошка применяют порошки из закаленного чугуна, керметов, никель-цинкового феррита, марганцово-цинкового феррита.

На рис. 1 показана схема магнитно-абразивной обработки, между полюсами магнита N и S помещают обрабатываемую заготовку 1. Зазор между полюсами магнита и обрабатываемой заготовкой за­полняются ферромагнитным абразивным порошком 2. Заготовка подключается к положительному полюсу источника питания, а электрод - инструмент - к отрицательному. В зазор между заго­товкой и полюсами подаётся электролит через катод 3. При обра­ботке заготовка вращается - абразивное срезание припуска допол­няется анодным растворением материала обрабатываемой заготов­ки. Производительность обработки с электролитом (1% NaCl + вода + минеральное масло 5%) по сравнению с сухой абразивно-магнитной обработкой возрастает в 2...6 раз.

 

Рис.1. Схема магнитно - абразивной электрохимической обработки наружной поверхности

 

Для снижения температуры поверхности детали обработку производят в жидкой среде, в частности в смеси олеиновой кислоты, продуктов переработки нефти, триэтаноламина, солей натрия. В настоящее время создано оборудование, позволяющее обрабатывать детали размером до 700 мм.

     Преимущество метода:

1. Обеспечивается высокая производительность процесса

2. Уменьшается в 8…10 раз волнистость и в 2…5 раз гранность, увеличивается точность и качество обработанной поверхности, в поверхностном слое заготовки формируются полезные сжимающие остаточные напряжения

3. Увеличивается в 2…3 раза износостойкость и значительно повышаются физико-механические свойства металла.

Недостаток:

При наличии на исходной поверхности детали отверстий, трещин, пазов, следов от уколов иглы твердомеров и других нарушения сплошности формы возможно при МАП образовании комет с хвостом, направленным в сторону, противоположную вращению детали

Электроэрозионная обработка

Эрозия - процесс разрушения. Электроэрозия - разрушение, происходящее на поверхности одного из проводников, разделенных диэлектриком, в период электрического разряда между ними.

Рис.2. Электрическая схема генератора электроискровых разрядов.

Рис.3. Схема расположения электрода (а) и образование  углубления в аноде – заготовке (б)

Если два проводника, в дальнейшем называемых электродами, присоединенные к электрической цепи, состоящей из конденсатора и источника тока (см. рис.2), поместить в среду диэлектрика (масло, дистиллированная вода, керосин и др.) (см. рис.3) на некотором расстоянии друг от друга S, то по мере сближения электродов 1 и 2 усиливается ионизация межэлектродного промежутка (МЭП) и возрастает напряженность Е электрического поля обратно пропорционально расстоянию между ними: Е = U / S , где U - разность потенциалов между электродами, S - зазор.

При некотором зазоре, составляющем несколько сотых долей миллиметра, происходит электрический разряд между электродами и через промежуток между ними протекает электрический ток - движение электронов от отрицательно заряженного электрода - катода 1 (см. рис.3) к положительно заряженному электроду - аноду 2. В обратном направлении происходит движение более тяжелых положительно заряженных частиц - ионов. Скорость движения электронов больше, так как их масса меньше массы ионов, и они быстрее достигают анода: их кинетическая энергия превращается в тепловую, температура по поверхности анода повышается до 5000...12000°С - материал анода плавится и испаряется. Расплавленные частицы анода выбрасываются в окружающее пространство, затвердевают и уносятся жидким диэлектриком.

 На аноде образуется углубление (см. рис.4) в форме сферической лунки диаметром D_Л и глубиной Н_Л.

 

 

 

Рис.4. Форма и размеры образующейся в результате искрового

разряда лунки

 

Длительность электрического разряда может составлять от микросекунды до тысяч микросекунд. Разряды происходят с большой частотой. С уменьшением частоты и увеличением длительности разрядов возрастает возможность для достижения тяжелыми ионами поверхности катода и его разрушения путем расплавления и испарения материала катода. При уменьшении частоты разрядов усиливается разрушение катода и, начиная с некоторой частоты, разрушение катода становится превалирующим - искровой разряд переходит в дуговой. В этом случае заготовку необходимо соединить с отрицательным полюсом источника тока, то есть она будет катодом, а инструмент - анодом. Полярность, при которой заготовка является анодом, а инструмент - катодом, называется прямой. Обработка при прямой полярности называется электроискровой. Обработка, когда заготовка является катодом, а инструмент - анодом, называется электроимпульсной и происходит при обратной полярности. С увеличением времени обработки диэлектрическая жидкость насыщается металлическими частицами обрабатываемой заготовки, технологические свойства ее ухудшаются. Поэтому ее целесообразно прокачивать через межэлектродный промежуток, а при предельной насыщенности ее следует заменить. Электроды изготавливаются из графита, вольфрама, меди и других материалов. Технологическими характеристиками ЭЭО являются: производительность обработки, шероховатость и точность обработанной поверхности, физико-химические характеристики поверхностного слоя.

Электрохимическая обработка

Электрохимическая обработка (ЭХО) — способ обработки электропроводящих материалов, основанный на анодном растворении материала при высоких плотностях электрического тока.

Электрохимическая обработка (D. Elektrochemisches Abtragen,E. Electrochemical machining, F. Usinage électrochimique) — обработка, заключающаяся в изменении формы, размеров и (или) шероховатости поверхности заготовки вследствие растворения ее материала в электролите под действием электрического тока.

Удаление металла происходит под действием электрического тока в среде электролита без контакта инструмента с заготовкой в результате анодного растворения материала заготовки. В качестве электролита применяются водные растворы хлорида натрия (поваренной соли), нитрата натрия и др., которые дешевы и безвредны для обслуживающего персонала. Растворенный металл уносится из зазора между катодом и анодом потоком электролита. При этом заготовка соединяется с положительным полюсом источника питания электрическим током, инструмент - к отрицательному и является катодом. Как установлено, катод-инструмент в процессе обработки практически не изнашивается, что является одним из достоинств ЭХО.

Сущность растворения материала анода заключается в следующем.

При растворении поваренная соль распадается на положительные катионы N а⁺ и отрицательные анионы Cl ^- (см. рис.5).

 

 

Рис.5. Схема анодного

 

 

Анод-заготовка заряжается положительно, отдав электроны. Последние, взаимодействуя с положительными ионами водорода, движущимися к катоду, приводят к образованию водорода, который выделяется на катоде. В сторону анода, заряженного положительно, движутся отрицательно заряженные ионы гидроокиси ОН ^-, которые взаимодействуют с положительно заряженным металлом анода, образуя гидрат окиси металла Ме(ОН) _n , который не растворяется в воде и выпадает в виде осадка. Движущийся электролит уносит его от анода.

 

На катоде происходят следующие реакции (см. рис.5.):

Н₂О + е → Н⁺ + ОН^-, Н⁺ + Н⁺ = Н₂↑

На аноде: Ме - n е → Ме ^{n +} , Ме ^{n +} + n ОН ^- = Ме (ОН) _n ↓

2ОН^- - 2 e = Н₂О + О^-, О^- + О^-= O ₂ ↑