Электрофизические методы обработки

Электрофизические методы обработки относятся к физико-химическим методам размерной обработки (ФХО) материалов, которые обеспечивают съем обрабатываемого материала в ре­зультате физико-химических процессов. По механизму разрушения и съема материала все физико-химические процессы обработки подразделяют на три группы: электрофизические методы обработки (ЭФО), электрохимические методы обработки (ЭХО) и комбинированные. Каждый из методов ФХО обладает уникальными технологическими возможностями, но все они более энергоемки и менее производительны в сравнении с методами механообработки. Поэтому использование методов ФХО оправдано только в следующих случаях:

- для обработки конструкционных материалов, имеющих низкую обра­батываемость лезвийным и абразивными инструментами, в том числе высо­колегированных сталей, твердых сплавов, ферритов, керамики, полупровод­ников, ситаллов и др.;

- для обработки деталей сложной геометрической формы из труднооб­рабатываемых материалов (пресс-формы, детали лопаток турбин и т. п.);

- для обработки миниатюрных тонкостенных нежестких деталей, а так­же деталей сложной формы с пазами и отверстиями.

Основным видом ЭФО является электроэрозионная обработка(ЭЭО), которая основана на использовании явления элек­трической эрозии — разрушения материала электродов при электрическом пробое межэлектродного промежутка. На рис.4.15 приведена схема процесса ЭЭО.

Рис.4.15Условная схема процесса ЭЭО: 1-электроинструмент; 2 — заготовка; 3 — генератор элек­трических импульсов, 4 — электрический разряд; 5 — газовый пузырь; б — продукты эрозии (шлам); 7 — эрозионная лунка; 8 — рабочая жидкость; 9 —изолятор

 

Размерная ЭЭО заключается в изменении фор­мы, размеров, шероховатости и свойств поверхности заготовки путем съема материала припуска за счет управляемого процесса электрической эрозии. Изолированный электрод-инструмент 1 и обрабатываемая заготовка 2 погружены в рабочую диэлектрическую жидкость и соединены с генератором электрических им­пульсов 3. Между электродом и деталью электрическим пробоем межэлек­тродного промежутка (МЭП) возбуждается импульсный разряд 4, который мгновенно нагревает микроучастки электродов и контактирующую с ними жидкость. В результате в зоне разряда формируется газовый пузырь 5. В конце каждого импульса происходит схлопывание пузыря. При этом продук­ты эрозии — шлам — в виде гранул 6 удаляются из МЭП рабочей жидкостью 8, а на поверхности электрода-заготовки образуется эрозионная лунка 7. За вре­мя паузы происходит восстановление электрической прочности МЭП до исходного значения. Затем, при подаче следующего импульса напряжения, весь процесс повторяется, но пробой происходит уже там, где напряжен­ность примет максимальное значение, — в зазоре между наиболее близкими микровыступами поверхности заготовки и инструмента. Процесс эрозии заготовки продолжается до полного удаления металла, находящегося на расстоянии электрического пробоя (0,01—0,15 мм),

Для обеспечения непрерывности процесса съема припуска величина МЭП должна оставаться неизменной, для чего скорость главного движения электрода в направлении обработки Dr должна соответствовать скорости эрозии элек­тродов.

При многообразии кинематических схем ЭЭО все схемы условно можно распределить на три группы.

1. Получение требуемой формы и точности поверхности заготовки ко­пированием формы профильного инструмента, представляющего собой об­ратное отображение формы детали. По этой схеме электрод-инструмент вне­дряется в заготовку при поступательном перемещении по мере электроэро­зии металла заготовки. Эта схема наиболее широко применяется в практике ЭЭО. Операции, выполняемые по первой схеме, называются копировально-прошивочными (рис.4.16 а, б, в).

2. Заданная форма детали обеспечивается взаимным перемещением за­готовки и непрофилированного инструмента. По этой технологической схе­ме ЭЭО производят с использованием в качестве электрода-инструмента проволоку или металлический вращающийся диск (рис.4.16. г, д ).

3. Получение требуемой формы обеспечивается взаимным перемещением профилированного инструмента и заготовки. Эти операции получили наимень­шее распространение. Они используются для правки фасонных электроалмазных кругов, изготовления фигурных канавок и шлифования (рис. 4.16 е).

Применяемый при ЭЭО разряд возбуждается электрическим пробоем. Элек­трический пробой при подаче импульса напряжения 50—250 В происходит ме­жду микровыступом электрода-заготовки и обработанной поверхностью элек­трода-инструмента. В результате при ЭЭО разрушаются именно выступы, вы­равнивая поверхность заготовки по всему межэлектродному зазору. По форме импульсы подразделяются назнакопеременные; асиммет­ричные; униполярные синусоидальные; униполярные прямоугольные; уни­полярные гребенчатые.

По схеме подключения электродов различают обработку на прямой по­лярности, когда инструмент подключен к «-» источника, и на обратной по­лярности, когда к «-» источника подключена заготовка.

 

Рнс. 4.2. Кинематические схемы процессов ЭЭО:

а — копирование; б — прошивание полостей с прямой осью; в — прошивание отверстий с криволинейной осью; г — отрезка вращающимся диском; д — отрез­ка проволокой (лентой); е — шлифование; 1- обрабатываемая деталь; 2 — ин­струмент; 3 — подача рабочей жидкости

Используемые форма импульса и полярность сильно сказываются на ха­рактере разрушения электродов. Симметричные знакопеременные импульсы вызывают одинаковую эрозию электродов из одного материала. Униполяр­ный импульс (импульс одной полярности) обеспечивает преимущественное разрушение одного из электродов. Обычно наибольшая эрозия заготовки отмечается при воздействии униполярного импульса прямой полярности. На практике широко используются и знакопеременные асимметричные импуль­сы. В этом случае различают два полупериода процесса — рабочий на прямой полярности с максимальным током и холостой на обратной полярности с минимальным током, что обеспечивает высокую эрозию заготовки и не­значительную эрозию инструмента. 1

Обрабатываемость различных материалов при электроэрозионной обработке оценивается коэффициентом обрабатываемости. Числовое значение коэффициента обрабатываемости равно, как и при обработке реза­нием, отношению экспериментально установленной скорости съема данного материала к скорости съема стали 45 при тех же параметрах ЭЭО. Коэффи­циент обрабатываемости стали 45 принимается за единицу, тогда коэффици­ент обрабатываемости составляет: для жаропрочных и нержавеющих сталей — 1,4; для алюминия — 2,4; для меди — 0,9; для титана — 0,6; для вольфрама — 0,5; для твердых сплавов — 0,3.

Сопутствующим явлением при ЭЭО является разложение рабочей жидкости под действием высоких температур — пиролиз. В жидких углеводородах, имеющих температуру кипения 150—200 °С, в зоне дугового разряда образуются пары. При соприкосновении паров с нагретыми участками электродов происходит разложение паров с осаждением на по­верхности углерода и выделением водорода. Взаимодействуя с поверхностя­ми электродов, углерод и водород могут оказывать как положительное, так и отрицательное влияние. Так, взаимодействие с обрабатываемой поверхно­стью детали ведет к изменению химического состава поверхностного слоя, что в большинстве случаев нежелательно. В то же время взаимодействие с поверхностью инструмента ведет к образованию на его поверхности слоя пирографита, компенсирующего его эрозию в процессе обработки. Это явле­ние используется для повышения стойкости инструмента.

Профи­лированный электрод инструмент задает конфигурацию обрабатываемой поверхности детали. Материал электрода-инструмента должен обладать высокой эрози­онной стойкостью, прочностью, малым омическим сопротивлением и высо­кой обрабатываемостью методами резания.

Эрозионный износ электрода при ЭЭО не является локальным, как при механической обработке, а охватывает всю рабочую поверхность и оценива­ется отношением израсходованного объема электрода к объему удаленного металла.

В качестве материала для электродов при обработке высокоуглероди­стых инструментальных сталей и жаропрочных сплавов на никелевой основе рекомендуются графит, медь и композиционный материал МНБ-3 (9,7% ме­ди и 3% нитрида бора). Наименьшему износу подвержен медный электрод, так как его электроэрозия компенсируется углеродом, откладывающимся в результате пиролиза углесодержащих рабочих жидкостей. Для удаления шлама из МЭП в электроде изготавливается необходимое число отверстий. Удаление осуществляется прокачкой или отсосом рабо­чей жидкости из зазора.

В качестве непрофилированного инструмента при ЭЭО наибольшее распространение получили медные или латунные диски и тонкая проволока диаметром 0,02—0,3 мм из меди, латуни, вольфрама и молибдена. Для обеспечения точности обработки и снижения износа проволока-электрод в процессе обработки перематывается с одной бобины на другую, испытывая усилие растяжения.

В качестве рабочих жидкостей используют низкомолекулярные углево­дороды различной вязкости (керосин, индустриальное масло И12А, транс­форматорное масло и их смеси), воду, кремнийорганические жидкости и водные растворы двухатомных спиртов.

Для уменьшения коррозии электродов в воду добавляют 4% кальцинированной соды. Повышение технологических свойств обеспечива­ется введением поверхностно-активных веществ (ПАВ), например компози­ций элементорганических соединений Ва, Са и ароматических веществ.

 

Таблица 4.5

Режимы обработки и производительности ЭЭО

 

Название режима	Частота, кГц	Средний ток, А	Производительность, см /мин
Черновой Получерновой Чистовой Доводочный	22—24 66—100	35—45 30—35 25—20 10—15	200—300 5—30 1-5

 

Шероховатость по­верхности определяется электрическими и гидравлическими параметрами процесса. Шероховатость Rz зависит от размера лунки и степени перекрытия лунок. Следовательно, условия получения минимальной шероховатости требу­ют ведения процесса на повышенных частотах с минимальной энергией им­пульса. Помимо того, шероховатость поверхности зависит от концентрации шлама в межэлектродном зазоре, определяемой эффективностью его удале­ния рабочей жидкостью. При работе на мягких режимах с малыми зазорами эффективно удаляют шлам жидкости с низким значением вязкости (типа ке­росина).

Структура и состав поверхностного слоя обусловлены тепловым воздействием электрического разряда, а также химическими воз­действиями плазмы разряда и рабочей жидкости. В результате теплового воздействия поверхность оплавляется и в поверхностном слое возникают остаточные напряжения растяжения с максимумом на поверхности детали, металл претерпевает наклеп и структурные изменения. Возможно насыщение его компонентами, входящими в состав материала инструмента, и компонентами, содержащи­мися в рабочей жидкости. Микротвердость поверхностного слоя металла возрастает. Глубина слоя, иногда называемого дефектным слоем, зависит от теплофизических свойств обрабатываемого металла, шероховатости поверхности и режима обработки.

 

Таблица 4.6

Качество поверхности при ЭЭО

 

Тип обработки	Режим ЭЭО	Шероховатость поверхности	Глубина дефектного слоя	Уровень остаточных напряжений
Черновая Чистовая Отделочная	Жесткий Средний Мягкий Очень мягкий	Rz 80-320 Rz 20-40 Ra 0,8-1,6 Ra 0,2-0,4	0,3-0,2 0,2-0,1 0,1-0,05 0,05-0,001	Высокий Средний Низкий Очень низкий

 

Процесс следует проводить за несколько проходов. При первом, черно­вом, проходе на жестком режиме снимается до 90% припуска, а последую­щие чистовые проходы на мягких и очень мягких режимах обеспечивают высокую точность, низкую шероховатость и высокое качество поверхности. Черновая и чистовая обработки ведутся сменным инструментом, точность чистового инструмента должна быть на 1—2 класса выше требуемой точнос­ти обработки детали.

Специфический характер геометрии поверхностей, а также возможность управления толщиной упрочненного слоя обусловили отличие эксплуатационных свойств поверхностей, обработанных ЭЭО. Так, износостойкость по­верхности из-за удерживания масла совокупностью лунок и наличия упроч­ненного слоя выше, чем при механической обработке. Усталостная проч­ность детали зависит от толщины упрочненного слоя и при обработке на средних и мягких режимах несколько выше, чем деталей, полученных реза­нием при одинаковой чистоте поверхности, что можно объяснить меньшей толщиной дефектного слоя. Коррозионная стойкость поверхностей, полу­ченных на средних режимах, аналогична стойкости при механической обра­ботке резанием. Она возрастает при обработке на мягких режимах, но сни­жается при обработке на грубых режимах.

Технологические операции ЭЭО. Заготовительные операции используют для получения заготовок из молибдена, вольфрама, нике­левых сплавов, сплавов на основе титана, металлокерамики, нитинола и дру­гих труднообрабатываемых материалов.

Отрезку заготовок из проката и металлокерамики выполняют дисковы­ми ЭИ из меди, латуни. Разрезание точных малогабаритных заготовок вы­полняют на вырезных станках.

Прошивание отверстий на глубину до 20 диаметров выполня­ют стержневым ЭИ, до 40 диаметров — трубчатым ЭИ, при прошивке жела­тельно вращать ЭИ.

Формирование рабочих полостей штампов, пресс-форм и вырубных штампов. Обычно ЭЭО штампов выполняют по­сле операции фрезерования, обеспечивающей съем основной массы металла. Штампы после ЭЭО имеют повышенную износостойкость по сравнению со штампами, изготовленными обработкой резанием.

Прямое и обратное копирование позволяет изготавливать пуансон по изготовленной матрице и наоборот, что значительно упрощает технологию их изготовления и исключает слесарную доводку. Обработка по методу ко­пирования ведется на копировально-прошивочных станках с ЧПУ.

Обработка криволинейных каналов газовых тур­бин аэродинамического профиля осуществляют прошивкой с криволиней­ной осью.

Вырезание используют при изготовлении деталей электронной тех­ники, вырубных штампов, шаблонов, лекал, фасонных резцов и т. д. Обра­ботка ведется на вырезных станках проволокой.

Изготовление сеток, решеток и пазов проводят методом копирования групповым ЭИ, одновременно обрабатывая до 800 отверстий и более диаметром 0,2—2,0 мм, глубиной 2 мм с точностью ±0,002 мм.

Электроэрозионное шлифование применяют при чистовой обработке наружных и внутренних поверхностей труднообрабатываемых материалов, магнитных и твердых сплавов и т. п. Точность и качество поверхности при обработке на чистовых и доводочных режимах соответствуют чистовым режимам, выполняемым шлифованием. При этом зона термического влияния при доводочных режимах не превышает 0.003 мм.

В зависимости от длительности импуль­са, вырабатываемого источником тока» и способа его формирования различают электроискровой, электроимпульсный и электроконтак­тный способы обработки.

К достоинствам электроэрозионной обработки относятся: возмож­ность обрабатывать токопроводящие материалы любой твердости, вязкости, хрупкости; возможность обрабатывать заготовки сложных форм, даже таких, которые невозможно получить другими способами (например, прошивание отверстий с криволинейной осью); отсут­ствие необходимости в высокой прочности и твердости инструмента; отсутствие механических воздействий на заготовку и инструмент; возможность получать поверхности с различными параметрами ка­чества; значительное снижение трудоемкости обработки сложных поверхностей заготовок из труднообрабатываемых материалов. К недостаткам электроэрозионной обработки можно отнести: об­ратную зависимость между производительностью и качеством обра­ботанной поверхности; необходимость вести обработку при погру­жении заготовки в жидкость; относительно низкую производитель­ность при обработке материалов невысокой твердости (сталь, цвет­ные сплавы). Удаление материала при размерной электрохимической обра­ботке происходит под действием электрического тока в среде элек­тролита без непосредственного контакта между инструментом и заготовкой. В основе этого процесса лежит явление анодного рас­творения металлов в движущемся (проточном) электролите.

Для чистовой обработки, осуществляемой обычно в электроиск­ровом режиме, чаще всего используют инструменты из обычной и пористой меди, латуни. Для черновых операций, выполняемых в электроимпульсном режиме, для изготовления электродов-инстру­ментов применяют; графитовые и медно-графитовые композиции, алюминий, цинковые сплавы. Для изготовления мелких отверстий часто используют инструменты из вольфрама или молибдена, ко­торые обладают высокой абразивной стойкостью, но дороги. Для электроконтактной обработки применяют инструменты из меди, латуни, чугуна или стали. Серый чугун имеет удовлетворительную эрозионную стойкость при обработке на всех режимах.

Для каждого вида об­работки применяют оптималь­ные диэлектрические среды. Так, при электроэрозионной об­работке с малой энергией им­пульса высокую производи­тельность обеспечивает дистил­лированная и технически чистая вода, при грубых режимах (электроимпульсная обработка) применяют масла.

В процессе обработки рабочая среда загрязняется, что снижает производительность. Допусти­мая загрязненность для черно­вых режимов — 4,..5% по мас­се, а для чистовых — 2...3%. При электроконтактном режиме импульсы тока формируются непосредственно в промежутке между инструментом и заготовкой вследствие их относительного движения и наличия микровыступов на рабочей поверхности инструмента. Напряжение применяемого источника постоянного или переменного тока и = 1...20 В.

Параметр шероховатости Rа поверхности, обработанной в элек­троискровом режиме, для сталей равен 0,3...0,6 мкм, а для твердых сплавов — 0,2...0,3 мкм. После обработки в электроимпульсном режиме Rа = 5...10 мкм. При электроэрозионном шлифовании в жидкости Rа = 0,5...0,8 мкм, а на воздухе (обдирочное) Rа = = 36...100 мкм. При разрезании Rа = 20...50 мкм.

Глубина измененного (дефектного) подповерхностного слоя за­висит от вида и режима электроэрозионной обработки. При пред­варительной (электроимпульсной) обработке она равна 0,1...0,4 мм, при чистовой (в электроискровом режиме) — 0,004. ..0,1, при шли­фовании в жидкости — 0,005...0,08, при разрезании в жидкости — 0,05...0,1, при электроконтактной обработке на воздухе — 1...5 мм.

Точность изготовления деталей в электроискровом режиме про­фильным электродом-инструментом достигает 6-го, 7-го квалитетов, не профилированным — 5-го, б-го квалитетов; в случае применения электроимпульсного режима точность изготовления соответствует 9-11-му квалитетам; при электроконтактной обработке в жидкой среде получаются 7-й, 8-й квалитеты, а при обработке на воздухе — 16-й, 17-й квалитеты точности.

При прошивании и разрезании размеры инструмента зависят от размера заготовки с учетом зазора. Боковой зазор зависит от энергии импульсов, материала электродов, состава и направления движения рабочей среды. В черновых режимах боковой зазор 0,005...0,5 мм, а в чистовых — 0,005...0,05 мм. При прошивании полостей торцовый зазор получается меньше бокового.

4.9. Электрохимическая размерная обработка (ЭХО)

Размерная ЭХО заключается в получении деталей требуемой геометрической формы, размеров и качества поверхностей путем снятия с поверхно­сти заготовок слоя металла припуска электрохимическим растворением. Электрохимическая обработка основана на явлении анодного растворения металлов при электролизе.

Рис. 4.17. Условная схема ЭХО: 1- электрод-инструмент; 2 — электролит; 3— источник питания постоянного (периодического) тока; 4-обрабатываемая заготовка (анод); 5 — шлам; d₁; d₂; — зазоры МЭП; DZ_max; DZ_min — соответственно, максимальное и минимальное значения припуска на обработку; v — скорость прокачки электролита через МЭП

Область эффективного применения электрохимической обработки обусловлены следующими технологическими особенностями:

- способ позволяет обрабатывать только электропроводное материалы;

- производительность способа не зависит от твердости и прочности обрабатываемых материалов и в несколько раз превосходит производительность обработки резанием заготовок из высокопрочных твердых сплавов, минераллокерамики и сталей в закаленном состоянии;

- способ позволяет обрабатывать поверхности любой формы;

- в металле обработанной поверхности отсутствуют остаточные напряжения и наклеп

Недостатком метода является ограничение его применения для обработки только таких электропроводных материалов, которые при растворении не образуют труднорастворимых пленок. Для этих материалов наряду с элоктрохимическим воздействием требуется механическое или электротермическое воздействие, удаляющее образующиеся оксидные пленки.

Рассмотрим схему процесса ЭХО на примере обработки заготовки в электролите — водном растворе хлорида натрия. Заготовка подсоединяется к положительному полюсу источника питания и является анодом (+), а инструмент — к отрицательному полюсу и является катодом (-). В электролите молекулы вещества диссоциируют на электрически заряженные ионы Nа⁺ и Сl^-, а ионы растворителя — на ионы Н⁺ и ОН^-. Когда к металлическим электродам, погруженным в электролит, прикладывают разность потенциалов, положительно заряженные ионы (катионы) движутся к катоду, а отрицательно заряженные ионы (анионы) — к аноду, в результат электрическая цепь замыкается. При этом перенос электрических зарядов в металлических проводниках осуществляют электроны, а в электролите ионы. Изменение носителей заряда в электрической цепи происходит на поверхности электродов, погруженных в электролит.

На аноде под действием электрического поля электроны перемещаются к источнику питания, «оттягиваясь» от поверхности анода внутрь металла, облегчая непосредственное взаимодействие молекул воды с положительными ионами решетки металла анода. Это явление нарушает межатомные связи в приповерхностном слое ме­талла и обусловливает переход положительных ионов металла в электролит — растворение анода. В электролите ионы металла анода образуют гидроксид металла Fе(ОН)₃, который выпадает в осадок в виде шлама и уносится дви­жущимся электролитом со скоростью прокачки v.

Кинематика операций ЭХО во многом схожа с кинематикой процессов элекгроэрозионной обработки, но имеет некоторые особенности. Так, некоторые операции ЭХО, не требующие съема больших объемов металла, такие, как поли­рование, калибрование и маркирование, выполняются при неподвижных элек­тродах.

Основным электрохимиче­ским процессом ЭХО является процесс растворения анода.

1.Скорость растворения участков анода, при прочих равных условиях, обратно пропорциональна значению МЭП на этих участках; этим объясняется выравнивание поверхности анода в МЭП при ЭХО и повышение производительности обработки с уменьше­нием зазора. Минимально допустимым зазором при ЭХО принят зазор 0,02 мм.

2. При подаче напряжения на электроды растворение анода идет с раз­ной скоростью, но по всей обрабатываемой поверхности, что осложняет по­лучение деталей с требуемой точностью размера и формы.

3. Скорость растворения зависит от электрической проводимости элек­тролита, поэтому факторы, влияющие на электрическую проводимость, оп­ределяют производительность ЭХО.

4. Скорость растворения возрастает с увеличением напряжения, однако экспериментально установлено, что при и, = 30 В происходит электрический пробой зазоров, используемых при ЭХО, поэтому обработка ведется при напряжении-15В.

Электрическая проводимость электролита зависит от его состава и происходящих в электролите явлений. Наиболее распространенными электролитами при ЭХО являются нейтральные водные растворы неорганических солей: хлориды, нитраты и сульфаты натрия и калия. Приготовление электролитов требуемого состава и концентрации относится к основной операции ЭХО. Оптимальные значения концентраций, обеспечивающих максимальное значение электрической проводимости электролита заданного состава, приводятся в справочной литературе. Например, максимальная электрическая проводимость электролита NаОН обеспечивается при его концентрации в воде, равной 15%. Концентрация электролита в процессе ЭХО может изменяться из-за образующегося шлама, нарушая при этом процесс ЭХО и снижая его производительность. Постоянство концентрации электролита обеспечивается технологически — его очисткой. Для этого используются методы центрифугирования (воздействия центробежных сил), фильтрования с помощью пористых материалов, отстаивания в специальных резервуарах и флотации — очистки пузырьками газа или воздуха.

На электрическую проводимость электролита существенное влияние оказывает сопутствующий электролизу нагрев электролита проходящим током. Так, нагрев электролита из водного раствора солей на один градус увеличивает его| электрическую проводимость на 2—2,5%. Поэтому при ЭХО для выведения шлаков и выравнивания температуры электролита применяют прокачку электролита через МЭП под давлением. Необходимая скорость течения электролита Vопределяется из условия удаления продуктов электролиза со скоростью, превышающей скорость их образования, и технологически задается давлением вводимого в раствор электролита. Для стабилизации температуры электролита применяют теплообменники с автоматическими терморегуляторами, встроенными в систему подачи электролита.

Точность размеров и формы деталей при ЭХО определяется: точностью электрода-инструмента и точностью его положения при обработке относительно оси его главного движения, неравномерностью припуска заготовки и стабильностью всех параметров режима, ответственных за процесс электрохимического растворения.

Точность обрабатываемых поверхностей зависит от точности электрода инструмента и стабильности зазора в процессе обработки. В процессе обработки электрод инструмент не изнашивается, однако, находясь в электролите, он может корродировать, по­этому рабочую часть электродов изготавливают из нержавеющей стали, а при изготовлении электродов сложной формы используют хорошо обраба­тываемые коррозионностойкие медные сплавы — латунь и бронзу. Поверх­ность электродов инструментов обрабатывается с точностью, на два класса превышающей требуе­мую точность обрабатываемой заготовки.

Величина зазора оказывает влияние на точность обработки. Сниже­ние величины зазора до минимально допустимого (0,02 мм) обеспечивает наибольшую точность. Стабильность величины зазора в процессе ЭХО обес­печивается стабилизацией параметров режима, температуры электроли­та и скорости подачи инструмента V за счет автоматизации процесса и при­менения специальной аппаратуры. Так, постоянство заданного напряжения обеспечивается стабилизатором напряжения; скорость подачи — прецизион­ным приводом подачи и системой ее регулирования; температура — тепло­обменниками с терморегуляторами; концентрации электролита — прокачкой и очисткой электролита.

Снижение наследственного влияния неравномерности припуска на точность формы заготовки решается технологическими методами. Во-первых, повышением точности исходных заготовок, выполняемых методами литья, ОМД и порошковой металлургии. Во-вторых, увеличением припуска на об­работку, в 6—9 раз превышающего исходную погрешность. В этом случае обеспечивается условие для выравнивания всей обрабатываемой поверх­ности, но, тем не менее метод обеспечивает точность формы не выше ±0,1 мм.

Шероховатость обработанных ЭХО поверхностей определяется процессами растворения электрода, удаления шлама, исходной шероховато­стью и фазовым составом материала заготовки.

Повышение анодной плотности тока, увеличение скорости прокачки электролита под большим давлением и снижение его температуры повыша­ют чистоту обработанной поверхности.

Процесс ЭХО не оказывает на обрабатываемую поверхность ни темпе­ратурного, ни силового воздействия, в поверхностных слоях отсутствуют остаточные напряжения и не происходят структурные изменения. Поэтому ЭХО обеспечивает высокое качество поверхностей. Эксплуатационные свойства поверхностей находятся на уровне свойств материала.

Однако при значительной химической и фазовой неоднородности обраба­тываемых материалов наблюдается явление растравливания границ зерен и фаз на глубину до 0,01 мм. В этом случае эксплуатационные свойства детали, чувст­вительные к надрезу (циклическая, ударная прочность), снижаются на 5—10%.

К параметрам режима ЭХО относятся: напряжение на электродах, ток, скорость подачи электрода инструмента, величина межэлектродного зазора, давление прокачиваемого электролита и его состав. В качестве оборудования для размерной ЭХО используются станки, которые состоят из: источника тока в виде выпрямителя (ток 5000—30000 А); электрохимической ячейки, в которой происходит анодное растворение обрабатываемого материала; системы прокачки электролита с устройствами для термостабилизации и системы подачи катода.

В современных станках процессом обработки управляет система. Она задает и контролирует значения напряжения и тока, постоянство рабочего зазора, скорость и концентрацию потока электролита. Универсальные электрохимические станки позволяют обрабатывать поверхности площадью 600 см² и более с точностью ±(0,1—0,3) мм и производительностью по 5—25 см/мин.

Примеры технологических операций ЭХО приведены на рис.4.16.

Заготовительные операции. Методы ЭХО используют для резки заготовок из труднообрабатываемых жаропрочных сталей и сплавов, титановых сплавов и высокопрочных сталей. Дисковым и ленточным металлическим инструментом отрезают ленточный прокат, а врезку фасонных заготовок из листа выполняют на станках с ЧПУ. Положительной особенностью способа является отсутствие на заготовке заусенцев.

Рис.4.18. Схемы электрохимической обработки: а – копирование; б – прошивание; в – точение; г – удаление заусенцев; д – отрезка; 1 – инструмент; 2 –заготовка; 3 – электролит.

Формообразующие операции широко применяют при изготовлении деталей методами копирования, электрохимического точения, прошивания.

Объемным копированием получают лопатки турбин из жаропрочных титановых сплавов; рабочие элементы ковочных штампов пресс-форм из высокопрочных инструментальных сталей; глухие полости, изделия сложной формы в машиностроительных и приборных деталях труднообрабатываемых металлов и сплавов (точность обработки ±0,1 мм). Электрохимическое калибрование выполняют при подвижном и неподвижном электроде инструменте.

Отделочные операции — удаление заусенцев, полирование поверхностей — выполняют при неподвижных электродах. Это позволяет удалять заусенцы в труднодоступных местах, например во внутренней полости при пересечении отверстий, полученных сверлением.

Электрохимическое полирование улучшает геометрию деталей, снижая ее шероховатость на 2—3 класса, увеличивая прочностные характеристики обработанной поверхности.

Процесс широко используется при изготовлении ответственных деталей, металлической оптики и подготовке поверхности для нанесения покрытий.

К основным достоинствам электрохимической размерной обра­ботки относятся: высокая производительность, достигающая десятков тысяч кубических миллиметров в минуту; полное отсутствие износа электрода-инст­румента; возможность повышения качества и производительности, что не характерно для других механических или электрических способов обработки; высокое качество обработанной поверхности; наличие некоторого саморегулирования процесса при обработке заго­товок из сплавов неоднородного кристаллического строения, при­водящего к равномерному растворению материала с их поверхности.

К недостаткам процесса относятся: высокая энергоемкость; не­обходимость принятия специальных мер для удаления отходов (шла­ма и газов); затруднения в управлении процессом при обработке сложнопрофильных деталей с высокой точностью; необходимость обеспечения интенсивной циркуляции электролита в процессе об­работки.

Таблица 4.7.

Составы элетролитов для ЭХО

Компоненты электролита	Номер электролита
Содержание компонента, % (по массе)
KNO2, KNO3 C6H5O7 NaNO3 NaCO3 NaCl	- - - - 10..20	- - - 5,6 7,5	- -   10..15 8..10	- 5..10 - -	- - 15..20 - -	12..15 -   - -	5..7 - 0,5..1,5 - -

Электролит 1 применяется для всех видов обработки заготовок из углеродистой стали и для прошивания отверстий в заготовках из легированной стали. Для прошивания полостей в штампах и пресс-формах применяют электролиты 5 и 6. Их можно использовать для прошивания отверстий и шлифования заготовок из жаропрочных сталей. Для прошивания, разрезания и шлифования заготовок из твердых сплавов используются электролиты 2 и 3, а из алюминиевых сплавов — 4. Электролит 7 используют для шлифования заготовок из магнитных литых сплавов. В растворы электролитов в качестве добавок можно вводить: буферные вещества для снижения защелачивания электролита (борная, лимонная, соляная кислоты); инги­биторы коррозии (например, нитрит натрия); активирующие вещества, которые снижают пассивирующее действие оксидной плен­ки (ионы брома, йода); ускорители осаждения продуктов обработ­ки — коагуляторы, которые способствуют быстрой очистке электролита (1...5 г/л полиакриламида).

Рабочий зазор между электродом-инструментом и обрабатывае­мой поверхностью выбирается в пределах 0,02...1 мм в зависимости от вида выполняемой операции и размеров обработки. Так, напри­мер, при прошивании мелких отверстий зазор равен 0,02...0,3 мм, а при прошивании крупных полостей с длиной контура более 40 мм — 0,3--.0,1 мм. При электрохимическом шлифовании зазор равен 0,1...0,8 мм, а при разрезании — 0,1...0,5 мм.

Электрохимическая обработка проводится обычно при напряже­нии от 6 до 30 В. Для большинства схем используют диапазон напряжений 9...18 В (для титановых сплавов 25...30 В). Разрезание материалов осуществляется при напряжении 25...30 В. При шли­фовании напряжение снижают до 6...8 В. В некоторых случаях напряжение подается в межэлектродный промежуток отдельными импульсами. В паузах между импульсами анодного растворения металла не происходит, а электролит протекает. За счет этого межэлектродный промежуток освобождается от продуктов обработ­ки, выравнивается температура электролита. Это повышает эконо­мические показатели процесса. Однако при такой подаче напряжения снижается скорость съема металла и усложняются ис­точники питания.

В настоящее время электрохимическая обработка позволяет по­лучать точность: 1) по 12... 14-му квалитетам при обработке полостей и разрезании заготовок; 2) по 9-му и 10-му квалитетам при прошивании мелких отверстий (диаметром до 2 мм); 3) по 6-му и 7-му квалитетам при шлифовании.

Повысить точность обработки можно за счет; умень­шения межэлектродного зазора (особенно с применением импуль­сного напряжения); наложения на электрод-инструмент вибраций частотой от нескольких герц до десятков килогерц (направление вибраций параллельно и перпендикулярно к направлению подачи); локализации процесса анодного растворения, т. е. ограничения про­водимости тока через участки заготовки, прилегающие к обраба­тываемому. Для локализации применяется обработка заготовки от­дельными секциями электрода-инструмента, на которые последова­тельно подают напряжение. Последовательность включения секций направлена против движения электролита, поэтому все продукты обработки удаляются из зазора, минуя работающую секцию. Наи­более широко применяют локализацию обрабатываемого участка путем диэлектрических покрытий заготовки или инструмента.

При обработке конструкционных сталей в электролитах на базе хлорида натрия получаем Rа = 0,32...0,1 мкм, нержавеющих сталей — Rа = 1,25...0,32 мкм, ти­тановых сплавов — Rа = 2,5...1,25 мкм; алюминиевых сплавов — Rа = 2,5...6,3 мкм.

Анодно- механическая обработка объединяет разные способы, ос­нованные на совместном использовании электрохимического и ме­ханического воздействия для удаления припуска. В эту группу входят собственно анодно-механическая обработка металлическим электродом, обработка электронейтральным абразивным инструмен­том при одновременном электрохимическом воздействии, обработка токопроводящими абразивными инструментами (на металлической связке) и некоторые другие способы. Особенностью большинства способов этой группы является сочетание высокой удельной произ­водительности (съема металла) и малой шероховатости обработанной поверхности. Основные достоинства предварительной анодно-механической об­работки: высокая производительность на жестких режимах, неболь­шие механические силы обработки, возможность обрабатывать сплавы высокой твердости. Недостатки: наличие заметной зоны термического влияния, недостаточная технологичность применяе­мого электролита, заметный износ электрода-инструмента, обяза­тельность главного движения с большой скоростью.

Анодно-механическое шлифование проводится при напряжении от 4 до 20 В, давлении инструмента 50... 150 кПа, скорости движения инструмента 1...30 м/с и обеспечивает Rа = 0,8...0,05 мкм. Шеро­ховатость увеличивается при увеличении номера зернистости абра­зива (М7...М40).

 

4.10.Упрочняющая обработка поверхностей с использованием поверхностно-пластической деформации

 

Основное назначение обработки поверхностным пластиче­ским деформированием (ППД) — снижение параметра шерохова­тости до Rа = 0,04...0,16 мкм. Дополнительным эффектом применения этой обработки является упрочнение подповерхностного слоя материала детали(повышается твердость и создаются сжима­ющие остаточные напряжения).

Разработано и широко используется в машиностроении большое количество способов обработки ППД и устройств для их реализации. Рабочие инструменты для ППД сравнительно просты, а обработка ими может осуществляться на обычных универсальных или специализированных станках. Все способы обработки ППД разде­ляются на две группы: 1) спо­собы выглаживания повер­хностей (рис.4.19), когда меж­ду инструментом и заготовкой имеет место трение скольже­ния; 2) способы накатывания поверхностей (рис.4.20), когда между рабочим элементом ин­струмента и заготовкой имеет место трение качения с воз­можным проскальзыванием.

 

 

Рис.4.19. Схемы обработки способами ППД со скольжением инструментов: 1 – заготовка; 2 – инструмент; 3 – пружина; а – дорнование тором; б – дорнование протяжкой-дорном; в,г – алмазное выглаживание.

Рис.4.20. Схемы обработки способами ППД с качением инструментов:1 – заготовка; 2 – инструмент; 3 – пружина; а,б,в – обкатывание цилиндрических наружных поверхностей; г – раскатывание; д – накатывание.

К способам выглаживания относится дорнование (калиб­рование) отверстий. Дорнова­ние отверстий может осущест­вляться шаром (рис. 4.19 а), выглаживающей протяжкой (рис. 4.19 б) или прошивкой, которую называют дорном. Дорнование отвер­стий в толстостенных заготов­ках (у которых отношение тол­щины стенки к диаметру обра­батываемого отверстия больше 0,25) осуществляется с относи­тельно малым натягом, значе­ние которого зависит от диа­метра обрабатываемого отвер­стия, точности его предвари­тельной обработки растачива­нием или развертыванием, ма­териала заготовки и его твер­дости. Например, для стальных заготовок при изменении диа­метра дорнуемого отверстия от 15 до 65 мм натяг изменяется от 0,03 до 0,1 мм. При повышении прочности стали в 1,5 раза примерно во столько же раз увеличивается требуемый натяг. После калибрования толстостенных деталей одним элементом на 25...30 % снижаются значение параметра Rа, погрешность формы и разброс значений диаметра отверстия.

Калибрование шарами не обеспечивает оптимальных условий деформирования, так как этот инструмент в условиях скольжения имеет относительно малую размерную стойкость. Однако шары широко применяются из-за простоты процесса обработки и возмож­ности его автоматизации.

В зависимости от диаметра и назначения применяют одно- или многозубые дорны, которые снабжаются передним и задним на­правляющими элементами. Обработку обычно ведут дорном с несколькими дефор­мирующими элементами. Наиболее эффективным с точки зрения точности является первый элемент (или проход). Для последующих элементов (проходов) выигрыш в качестве сокращается в геомет­рической прогрессии. Высота микронеровностей наиболее интенсив­но снижается после первых трех-четырех деформирующих элемен­тов.

В качестве смазочного материала при дорновании применяют сульфофрезол (для стальных и бронзовых заготовок), керосин (для чугунных заготовок) и специальные смазочные материалы, например смесь 90% петролатума и 10% канифоли, которые обеспечивают жидкостное трение. Смазывание способствует повышению качества обработанной поверхности и снижению силы Р дорнования. Силу дорнования можно уменьшить в несколько раз путем приложения к дорну, выглаживающей протяжке осевых колебаний (ударных импульсов) с частотой порядка 20 Гц и амплитудой 0,3...1,5 мм.

Скорость V осевого перемещения обрабатывающего инструмента зависит от материала заготовки: для стали и чугуна v = 5...10 м/мин, а при обильном охлаждении — до 15 м/мин; для цветных сплавов V = 2...6 м/мин, а при обильной подаче СОЖ скорость можно увеличить до 25 м/мин.

Выглаживание наружных и внутренних поверхностей вращения заготовок 1 можно осуществлять с помощью алмазных наконечников (рис.4.19. в, г), состоящих из кристаллов алмаза 2, закрепленных в корпусах, которые установлены в пружинные державки. Нагру­жающие пружины 3 обеспечивают непрерывный контакт сферы алмаза с обрабатываемой поверхностью и примерно одинаковую силу Р выглаживания.

Алмазное выглаживание -не рекомендуется для обработки пре­рывистых поверхностей, а также при значительных отклонениях формы поверхности в поперечном сечении и твердости обрабаты­ваемого материала. Разброс твердости НRС_э не должен превышать четырех-пяти единиц.

Предварительную обработку поверхности под алмазное выгла­живание выполняют тонким точением или шлифованием. Допусти­мая исходная шероховатость зависит от твердости заготовки и изменяется от Rа = 6,3 мкм (при твердости, меньшей 300 НВ) до Rа = 1,25 мкм (при твердости, большей 50 НRС_э). С увеличением твердости материала заготовки следует уменьшать радиус сферы выглаживающего алмаза, соответственно с 3 до 1 мм.

Сила Р выглаживания возрастает с увеличением твердости ма­териала заготовок. Подача S и скорость v выглаживания также зависят от твердости заготовки. Подача изменяется от 0,04...0,08 мм/об (при твердости, меньшей 300 НВ) до 0,02...0,05 мм/об (при твердости 30...60 НRСэ). Соответственно скорость изменяется от 10...80 м/мин до 200...280 м/мин.

Алмазное выглаживание осуществляется в один-два прохода. При этом наружный диаметр может уменьшиться (внутренний — уве­личиться) на 1...15 мкм. При правильно подобранных параметрах режимов обработки значение параметра Rа может быть снижено до 0,16...0,04 мкм, микротвердость поверхности увеличена на 20...60%, толщина упрочненного слоя может достигать 400 мкм.

Обкатывание, раскатывание и накатывание поверхностей осу­ществляют роликами или шарами (см. рис.4.20.). Данными спосо­бами обычно обрабатывают цилиндрические и плоские поверхности, но иногда — канавки, галтели и фасонные поверхности (обычно фасонным роликом). Инструменты для накатывания условно можно разбить на жестко закрепленные и подпружиненные, находящиеся под действием пружин с предварительным натягом. Первые при­меняются сравнительно редко, так как не могут обеспечить равно­мерное рабочее усилие при значительных погрешностях формы и размера обрабатываемой поверхности. Этих недостатков лишены подпружиненные инструменты. В качестве упругого элемента в них чаще всего применяют спиральные пружины 3 (рис.4.20. а, б, д), реже — тарельчатые. В некоторых случаях роль упругого элемента играет пружинящая часть корпуса.

Скорость v не оказывает заметного влияния на результаты накатывания, поэтому она назначается в пределах 30...150 м/мин. Подачу S при обкатывании роликом с круговым профилем назначают в пределах 0,07...0,8 мм/об в зависимости от радиуса г- скругления ролика (5-40 мм), значений параметра шероховатости Rа исходной и обработанной поверхностей.