Электрические методы обработки

Из применяемых в промышленности методов обработки с непосредственным использованием электрической энергии можно указать электрохимический, электротермический, электроэрозионный, электрогидравлический, ультразвуковой и электронно- и светолучевой.

Электрохимический метод обработки (электрохимическое полирование металлов и анодно-химическая обработка) основан на явлениях, связанных с прохождением электрического тока через растворы электролитов. Этот метод обработки позволяет очищать поверхности обрабатываемых материалов от оксидных пленок, ржавчины, жировых пленок и других загрязнений, а также сглаживать, доводить, шлифовать и полировать поверхности заготовки.

В процессе электрохимического полирования при анодном растворении металла, т. е. при переходе в раствор металла с поверхности электрода (анода), соединенного с положительным полюсом источника тока, на поверхности заготовки образуется вязкая пленка солей, защищающая микровпадины полируемой поверхности от действия тока, но не препятствующая растворению выступов. Интенсивность линейного съема металла составляет 3...10 мкм/мин, длительность процесса зависит от толщины удаляемого слоя: для черных и цветных металлов 4...10 мин, для легких сплавов 3...5 мин. Достижимая точность обработки в пределах 7.-.8-го квалитетов, шероховатость поверхности в пределах R_а=1,6...0,025 мкм.

Если на острие лезвия инструмента создать повышенную плотность тока и этим самым усилить процесс растворения этого участка, то возможно электрохимическое затачивание режущего инструмента.

 

 

Рисунок 3.113

 

На рис. 3.113 схематически показано прошивание отверстия электрохимическим методом. Если между торцом латунной трубки 4 (катода) и поверхностью обрабатываемой заготовки / (анода) создать местную электролизную ванну 3, то можно осуществить анодное растворение участка, ограниченного трубкой, т. е. произвести электрохимическое прошивание отверстия 7 (2 — прижим, 5 — подвод электролита, 6 — возврат электролита). Прошивание протекает при большой интенсивности съема металла (500...2000 мкм/мин) и обеспечивает шероховатость поверхности в пределах R_а—3,2...0,8 мкм.

По этому же принципу, изменяя форму и размер катодной трубки, можно получать отверстия различных форм и размеров.

Анодно-механическая обработка основана на интенсификации растворения поверхности анода посредством механического удаления образующихся на поверхности пленок, например при движении катода. На этом принципе построена анодно-механическая резка металла (рис. 3.114).

 

Катод 1 в виде диска или ленты вращается и соприкасается с заготовкой 2. Место контакта поливают электролитом 3 (водный раствор жидкого стекла). При прохождении тока происходит анодное растворение, а продукты обработки уносятся движущейся поверхностью электрода-инструмента 1. При разрезании интенсивность съема металла составляет 2000...6000 мм³/мин; точность обработки по 11-муквалитету; шероховатость поверхности R_а=25-6,3 мкм.

При анодно-механическом долблении направленное разрушение металла осуществляется также под действием

электрохимического и электротермического Рисунок 3.114

тока, причем инструмент (катод) представляет негативную форму обрабатываемой поверхности. При этом методе обработки съем металла составляет 50...250 мм³/мин; точность обработки по 7- 11-муквалитетам и шероховатость поверхности R_а—6,3... 1,6 мкм.

Анодно-механической обработкой можно выполнять также отделочное и притирочное шлифование. В этом случае процесс заключается в механическом удалении пленок, образующихся на поверхности обрабатываемой заготовки (анода) при прохождении тока между ее поверхностью и катодом в среде электролита. Инструмент, удаляющий пленку, является электронейтральным. Интенсивность съема металла составляет 2...6 мм³/мин, точность обработки 6 - 7-й квалитеты и шероховатость поверхности R_a= 0,2 - 0,05 мкм.

Электротермический метод обработки основан на свойстве электрического тока выделять тепло при прохождении по цепи, имеющей электрическое сопротивление. В местах контакта, где сопротивление максимально, электрический ток может разогревать, размягчать и даже плавить металл.

Используя этот принцип, можно сглаживать поверхность, удалять металл, прошивать отверстия, прорезать пазы, а также затачивать режущий инструмент.

Для регулирования хода процесса можно применять искусственное охлаждение или изменять скорость перемещения инструмента. Этим же методом можно производить наплавку, нанося слой металла на заготовку путем плавления электродной проволоки теплотой, выделяющейся при контакте электрода с заготовкой.

Электроэрозионный метод обработки основан на разрушении металла в результате разрядов между поверхностями обрабатываемой заготовки и инструмента. Так как преимущественно разрушается анод (заготовка), то на его поверхности образуется углубление, соответствующее по форме катоду (инструменту). Это свойство успешно используют для выполнения отверстий, диаметр которых составляет доли миллиметра, а также для резки металла, прорезки узких пазов, фигурной резки, формообразования режущих кромок, гравирования и других подобных операций. Отверстия обычно обрабатывают в масляной или керосиновой среде, а упрочнение инструмента и деталей производят в воздушной среде.

На рис. 3.115 приведена схема установки для злектроэрозионного прошивания отверстий. Импульсы электрического разряда, возникающие между торцом электрода 3 и поверхностью заготовки 1, разрушают металл заготовки, образуя отверстие. Малые отверстия прошивают при обязательной вибрации электрода или заготовки для удале­ния образующихся отходов. Направление инструмента (электрода) определяет кондуктор 4, изготовленный из материала, не проводящего ток. Обработку осуществляют в жидком диэлектрике 2 при питании от источника 5. Рисунок 3.115

 

Поверхности сложной формы обрабатывают этим методом с точностью по 8 - 12-му квалитетам и шероховатостью поверхности R_а — = 12,5 - 1,6 мкм. Время обработки отверстий диаметром 0,15 мм глубиной 3 мм составляет 1,5 мин.

Электрогидравлический метод обработки в последнее время в промышленности получил большое распространение. Он основан на возбуждении высоковольтного разряда в среде жидкости. В жидкости возникают сверхвысокие давления в виде импульсов, при воздействии которых на заданный участок поверхности происходит течение материала заготовки. Мощность и длительность импульсов определяются параметрами электрической схемы. Этот метод применяют для наклепа поверхностей металлических заготовок, штамповки и т. д.

Ультразвуковой метод применяют в настоящее время для обработки твердых и хрупких материалов (например, стекла, рубина, алмаза, керамики и др.), с большим трудом обрабатываемых обычными методами.

Использование ультразвуковых колебаний для обработки основано на создании высокой скорости изнашивания обрабатываемого материала при контакте вибрирующего инструмента и абразивов (в виде пасты, водной или масляной суспензии) с местом обработки. Инструмент изготовляют преимущественно из пластичного металла, в который абразивные частицы внедряются без его существенного износа. Таким образом, стержень инструмента (вибратор) служит только для направления, а резание производят абразивным материалом. Чтобы создать надлежащий контакт, вибратор прижимают к головке.

На рис. 3.116 приведена схема ультразвуковой обработки. Инструмент 2 совершает продольные колебания с частотой 16000...25000 Гц и амплитудой 0,02...0,06 мм. Его изготовляют из конструкционной стали, и по профилю он соответствует форме обрабатываемого отверстия. В зону обработки, т. е. в зазор между рабочим торцом инструмента 2 и заготовкой 1, с помощью насоса 6 подают абразивную суспензию (в качестве абразива, как правило, применяют карбид бора). Источником колебаний инструмента является Рисунок 3.116

магнитострикционный преобразователь 3, в котором электрические колебания от мощного электронного генератора 4 преобразуются в механические. Колебания торца преобразователя 3 невелики: 5 - 10 мкм. Для увеличения амплитуды в 2 - 5 раз применяют трансформаторы скорости, или акустические концентраторы 5. К узкому сечению концентратора крепят инструмент. В процессе обработки инструмент должен непрерывно перемещаться по направлению к заготовке. При обработке глухих отверстий инструмент необходимо периодически поднимать для за­полнения полости свежим абразивом и удаления продуктов резания. При обработке заготовок из электропроводящих материалов предварительную обработку для снятия большей части материала целесообразно производить электроэрозионным методом, а чистовую обработку для получения шероховатости поверхности R_а=1,6...0,8 мкм — ультразвуковым методом.

Производительность ультразвуковой обработки зависит от свойств обрабатываемого материала, амплитуды и частоты колебаний инструмента, вида и зернистости абразивного материала, размеров обрабатываемой площади, конфигурации обрабатываемой поверхности и давления (статического) между инструментом и заготовкой. Существующие модели ультразвуковых станков позволяют обрабатывать отверстия диаметром от 0,15 до 90 мм при максимальной глубине обработки 2 - 5 диаметров с погрешностью обработки для твердых сплавов 0,01 мм.

Ультразвуковой метод может быть применен при изготовлении твердосплавных штампов, для чеканки рельефов (например, медалей);

в этом случае вибрирующий инструмент должен иметь рельеф детали. Метод обработки электронным лучом.

Практика установила возможность использования энергии сфокусированного электронного луча для обработки твердых материалов посредством их местного плавления. В вакууме создают импульсный электронный луч с частотой от 1 до 3000 Гц и временем импульсов от 0,01 до 0,00005 с при скорости электронов 115 000-165 000 км/с, с температурой в зоне обработки около 6000°С. Время обработки зависит от количества удаляемого металла и его термических и химических свойств; механические свойства металла на время обработки влияния не оказывают.

Электронно-лучевая установка состоит из источника питания, вакуумной системы, блока управления и электронной пушки. Для образования эмиссии электронов служит источник питания, который осуществляет накал катода.

Электронная пушка (рис. 3.117) состоит из термоэлектронного катода, управляющего электрода 1, импульсного генератора (модулятора) 2, электромагнитного регулирующего устройства 3, магнитной линзы 4 и отклоняющей системы 5. Импульсный генератор 2 обеспечивает в целях ограничения зоны нагревания прерывность электронного луча, а электромагнитное регулирующее устройство 3 стабилизирует его. Магнитная линза 4 предназначена для фокусирования луча до необходимого диаметра на поверхности заготовки (минимальный диаметр достигает 0,01 мм), а отклоняющее устройство 5 — для перемещения электронного луча по обрабатываемой поверхности.

Производительность обработки электронным лучом значительно выше, чем при прочих методах обработки. Стальные листы толщиной до 1 мм режут электронным лучом со скоростью 1200 мм/мин. Рисунок 3.117

В настоящее время электронным лучом обрабатывают отверстия диаметром до 0,001 мм, а также фрезеруют сложные профили. Электронный луч применяют для очистки поверхностей деталей, изготовленных из таких материалов, как тантал, молибден, цирконий, ниобий, титан и вольфрам, а такжедля сварки некоторых сплавов.

Метод светолучевой обработки основан на использовании электромагнитных колебаний светового диапазона, получаемых с помощью квантовых оптических генераторов (лазеров).

Этими электромагнитными колебаниями можно управлять, их можно фокусировать в очень тонкие параллельные пучки с углом расхождения луча около 30', с высокой когерентностью, т. е. с одинаковой частотой и фазой излучаемых электромагнитных колебаний. Направленный когерентный световой луч обладает огромной плотностью световой энергии.

На рис. 3.118 приведена схема обработки лучом лазера с рабочим телом из монокристалла рубина (оксида алюминия, где около 0,05% атомов алюминия заменены атомами хрома). Основные элементы этого генератора: 3 — рубиновый стержень и 4 —• лампа накачки; 1 — фотоэлемент для регулирования световой энергии; 2 — светофильтр; 5 — оптическая система; 6 — рабочая камера; 7 — механизм подачи заготовки; 8 — заготовка.

Торцы рубинового стержня шлифуют и полируют так, Рисунок 3.118

 

чтобы они были плоскопараллельными, а затем серебрят.

Когда свет, возбуждаемый лампой накачки, проходит вдоль стержня, он попеременно отражается от зеркальных торцов. Генерирование световых колебаний производится разрядами конденсаторной батареи на лампу накачки. При этом свет достигает большой интенсивности, определяемой также числом возбужденных атомов хрома. Для вывода светового луча одно из зеркал делается частично прозрачным. Исходящий из оптического генератора луч можно сфокусировать до диаметра, не превышающего 0,01 мм. При этом точка, в которую направлен световой луч, разогревается до десятков тысяч градусов и материал испаряется. Возможности применения рассматриваемого метода весьма многообразны. В качестве примера можно привести сверление отверстий диаметром 0,01 - 0,3 мм в материале толщиной 0,1 - 5 мм с шероховатостью поверхности стенок R_a=2,5... 1,25 мкм. Данный метод позволяет прошивать отверстия и щели в любом материале (алмаз, рубин, тантал и др.). Мощный световой луч можно использовать также для сварки в труднодоступных местах машин и приборов, для пайки и сварки тонких деталей современных микроэлектронных изделий и т. д.

 

Тема 3.9. Обработка деталей из жаростойких сплавов и термостойких пластмасс

В современных машинах значительный удельный вес занимает применение для изготовления ряда деталей жаропрочных и нержавеющих сплавов и пластмасс. Это обусловлено расширением производства машин, работающих при высоких нагрузках, давлениях, скоростях и температурах, а также в химически активных средах. Обработка деталей из жаропрочных и нержавеющих сталей и сплавов и ряда пластмасс обычным методом крайне затруднена и в ряде случаев невозможна, тем более что по мере прогресса техники непрерывно повышаются эксплуатационные характеристики этих материалов, а именно: прочность, твердость, ударная вязкость, жаропрочность, коррозионная стойкость.

Обрабатываемость материалов, т. е. способность их поддаваться обработке, определяется комплексом их физических и технологических свойств. Наиболее часто обрабатываемость определяют интенсивностью износа инструмента, характеризуемого допускаемой скоростью резания, значением возникающей силы резания и температуры и качеством обработанной поверхности.

 

Способы обработки

Основная часть работы резания при обработке жаропрочных и нержавеющих сталей и сплавов расходуется на пластическую деформацию и лишь незначительная часть — непосредственно на разрушение. Очевидно, что одним из основных направлений интенсификации процессов обработки деталей из этих материалов является изыскание условий для уменьшения пластических деформаций при резании. Это предопределило создание качественно новых способов обработки с изменением характера приложения механического воздействия на срезаемый слой, с использованием химических и электрических процессов, а также с применением комбинированных методов обработки, основанных на совмещении механического, теплового, химического и электрического воздействий.

К способам обработки, основанным на изменении характера механического воздействия на срезаемый слой, относятся: вибрационное резание, сверхскоростное резание и ультразвуковая обработка;

к способам, основанным на термохимическом воздействии, относятся: обработка с предварительным нагревом заготовок, с непрерывным нагревом ТВЧ срезаемого слоя в процессе резания;

к способам, основанным на одновременном механическом и химическом воздействии, относятся: обработка в специальных средах смазочно-охлаждающих жидкостей с различным подводом их в зону резания, например в виде эмульсии, распыленной в воздухе, под давлением пенистой жидкости, жидкой углекислоты, в газовых средах (сероводород, хлор, кислород и др.). в твердых средах (смазки из графита, талька и дисульфида молибдена) и др., а также обработка в растворах солей металлов (например, шлифование с погружением притира в раствор медного купороса);

к способам обработки, основанным на электрическом воздействии, относятся электроэрозионная, электрохимическая и комбинированная обработка, например химико-механическая обработка с наложением обычного и вибрационного резания и др.

Жаропрочные материалы имеют в составе значительное количество легирующих элементов (в том числе титан и марганец); они проявляют склонность к свариванию (адгезии) с режущим инструментом, для них характерны незначительное изменение прочности при нагреве до температуры 800°С, высокий предел прочности на сдвиг (в 2...3 раза выше, чем у конструкционной углеродистой стали), сочетание высокого предела прочности с большой вязкостью, способность к сильному упрочнению (наклепу) и низкая теплопроводность. Все это способствует возникновению больших сил резания, высокой температуры, интенсивного износа режущего инструмента. При этом качество обрабатываемой поверхности остается низким.

Вследствие этого инструмент для обработки жаропрочных материалов должен быть очень тщательно заточен и доведен; кроме того, значения геометрических параметров режущей части инструмента должны быть соответственно изменены.

Методы обработки деталей

При обработке нержавеющих сталей образуется сливная стружка, которая негативно влияет на процесс резания. Рассмотрим способы обработки с механическим воздействием на срезаемый слой, в частности способ вибрационного резания, заключающийся в том, что на обычную принятую схему обработки накладывается дополнительное вибрационное движение инструмента относительно обрабатываемой заготовки. Выбор принципиальной схемы вибрационного резания зависит от его технологического назначения. При применении этого способа обработки как средства стружкодробления можно использовать механические, пневматические и гидравлические вибраторы, обеспечивающие частоту колебаний не более 50 Гц ..

 

Рисунок3.119

 

На рис. 3.119,а приведена схема механического вибросуппорта, где колебательное движение резца в направлении подачи осуществляется от шпинделя станка через систему зубчатых колес, а на рис. 3.119,б — от электропривода через эксцентрик. При неизменных условиях обработки (равномерность припуска, постоянство режимов резания и т. д.) для получения вибрации резца можно использовать колебания, вызываемые собственно процессом резания (автоколебания). На рис. 3.119,в приведена схема такой конструкции, где отсутствует специальный привод возмущения колебаний.

Наиболее целесообразными являются колебания в направлении подачи и в тангенциальном направлении, причем в первом случае достигается надежное дробление стружки, а во втором — существенное улучшение обрабатываемости.

Вибрационный метод резания с осевыми колебаниями при применении обычных твердосплавных резцов обеспечивает шероховатость поверхности R_a = 12,5...6,3 мкм, а при использовании резцов типа Колесова R_a=3,2...1,6 мкм. Этот же метод может быть применен при сверлении отверстий.

Вибрационный метод резания с тангенциальными колебаниями обеспечивает улучшение обрабатываемости не только при точении, но и при развертывании, нарезании резьб и шлифовании, а также при разрезке материала (вибропилы, виброножницы). Дальнейшим развитием этого метода является замена синусоидального вибрационного движения ударно-импульсным с высокими скоростями и ускорениями. Так, ударно-импульсный метод обработки применяется при нарезании и калибровке глухих резьб. При этом наряду с повышением в 3...3,5 раза стойкости метчиков значительно повышается и производительность, так как нарезание полного профиля резьбы может быть осуществлено одним метчиком вместо обычно применяемых двух-трех.

Вибрационное резание с использованием ультразвуковых колебаний, т. е. колебаний с частотой, равной или выше 16...20 кГц, применяют при механической обработке деталей из жаропрочных сталей и сплавов, когда при резании действуют небольшие усилия. Обработка ультразвуковыми колебаниями приводит к ликвидации нароста, снижению сил резания и наклепа обработанной поверхности, а также к повышению качества поверхности.

Обработка резанием нагретой заготовки. Нагрев производится непосредственно в процессе резания с применением токов высокой частоты или электрической дуги, а также предварительно в печи с последующей установкой заготовки на станок. Нагрев способствует снижению ее механических свойств, определяющих сопротивление материала заготовки пластическим деформациям. Однако нагрев заготовки вызывает ускоренное изнашивание инструмента, поэтому применение нагрева в процессе резания улучшает обрабатываемость в тех случаях, когда снижение удельной работы резания влияет на стойкость инструмента больше, чем отрицательное воздействие температуры. Установлено, что температуру при обработке резанием с нагревом заготовок следует принимать на 35... 40˚С ниже температуры отжига и старения. Температура нагрева зависит от скорости резания и подачи, так как при их увеличении повышается количество выделяемой при резании теплоты. Так, например, при точении нержавеющей стали 12Х18Н9Т со скоростью резания v=19 м/мин температура нагрева должна быть выше 500 С, при v = 300 м'мин Т==350˚С и при v=375 м/мин T=230°С.

Нагрев позволяет осуществлять обработку таких особо прочных материалов, как закаленная быстрорежущая сталь, которая обычными методами не поддается обработке резанием.

Обработка с введением электрического тока в зону резания является одним из эффективных средств улучшения обрабатываемости особо прочных материалов. В этом методе в зону резания вводят электрический ток низкого напряжения плотностью 100-120 А/мм² при скоростях резания 150-200 м/мин. Напряжение от одного полюса источника подается на резец, а от другого — на массу станка. Резец изолируется от станка с помощью специальных прокладок. Электрический ток, распределяясь в зоне контакта инструмента и заготовки, выделяет дополнительно большое количество теплоты и способствует образованию тонкой пластичной пленки, в результате чего в зоне контакта создается полусухое трение, а это снижает коэффициент трения и общее сопротивление материала деформированию и повышает стойкость режущей части инструмента.

Обработка резанием высокопрочных закаленных сталей (высоколегированных и углеродистых сталей мартенситного класса твердостью HRС-28) в отличие от обработки жаропрочных материалов характеризуется крайне малой пластической деформацией, и работа резания в основном затрачивается на преодоление упругих деформаций и трения при интенсивном износе инструмента и больших значениях сил резания, особенно радиальной составляющей, что обусловливает необходимость обеспечения высокой жесткости технологической системы. Поэтому наряду с тщательной заточкой режущего инструмента (преимущественно из сплавов ВК8 и ТТ7К12), обеспечением виброустойчивости технологической системы и применением для охлаждения масляных смесей (например, 75% дистиллатного эмульсионного масла и 25% четыреххлористого углерода) обработку сводят в основном к чистовым отделочным операциям.

Обрабатываемость деталей из м е т а л л о к е р а м и ч е с к и х жаропрочных сплавов, несмотря на их низкую прочность и пластичность, значительно хуже, чем обычных конструкционных металлов, вследствие высокой температуры резания и более высокой их истирающей способности. Средством, улучшающим обрабатываемость этих материалов, является пропитка маслом.

Обрабатываемость пластмасс определяется видами наполнителя (крошки, бумаги, ткани или шпона) и связующего (смолы), а также технологическим процессом их получения. Сравнительная обрабатываемость пластмасс на основе различных связующих — термореактивных или термопластичных смол — определяется тем, что первые при нагревании не размягчаются (это позволяет применять оптимальные режимы резания и углы заточки режущего инструмента), а вторые под действием повышенной температуры размягчаются. Допустимая предельная температура в зоне резания для первого вида пластмасс 160°С, а для второго 60... 130°С.

Особенностями условий обработки пластмасс являются: склонность некоторых пластмасс к скалыванию, высокая упругость (в 40 раз больше упругости стали) и неоднородность строения материала при различной твердости его составных частей, приводящая к ухудшению качества обрабатываемой поверхности. Наряду с этим пластмассы оказывают сильное абразивное воздействие на режущий инструмент, а пониженная их теплопроводность обусловливает плохой теплоотвод из зоны резания и перегрев режущих кромок инструмента. Кроме того, интенсивное пылеобразование, особенно термореактивных пластмасс приводит к необходимости применения специальных обеспыливающих средств, а гигроскопичность пластмасс исключает применение смазывающе-охлаждающих жидкостей (охлаждение производят сжатым воздухом).

Пластмассы обрабатывают точением быстрорежущими и твердосплавными резцами, однако при точении стеклопластика удовлетворительную стойкость показывают только твердосплавные резцы, а для особо прочных стеклопластиков — алмазные инструменты.

Обработка пластмасс абразивами имеет ряд преимуществ по сравнению с обработкой лезвийными инструментами (точением, фрезерованием и т. п.), заключающийся в отсутствии сколов и трещин и в уменьшении шероховатости обрабатываемой поверхности.