Электрохимическая обработка

Метод электрохимической обработки основан на анодном растворении выступов и впадин микронеровностей при электролизе. При прохождении постоянного электрического тока через электролит 2 (рис. 11.5, а) на поверхности анода (заготовки 3) происходят химические реакции и поверхностные слои металла превращаются в химические соединения. Продукты электролиза переходят в раствор или удаляются механическим способом.

При электрохимическом полировании (рис. 11.5, а) заготовку 3 помещают в ванну 1 с электролитом 2, которым в зависимости от обрабатываемого материала служат растворы кислот или щелочей. Заготовку подключают к аноду. Катод 5 представляет собой пластину из свинца, меди или стали.

При замыкании электрической цепи начинается растворение материала анода – выступов микронеровностей 8 (наибольшая плотность тока – на их вершинах). Продукты растворения 7 (окислы или соли, имеющие пониженную проводимость) заполняют впадины и препятствуют растворению металла. Избирательная скорость растворения по выступам и впадинам сглаживает микронеровности. Обработанная поверхность получает металлический блеск.

Электрохимическое полирование уменьшает глубину микротрещин, не деформирует заготовку, исключает термические изменения структуры и позволяет обрабатывать нежесткие заготовки одновременно по всей поверхности. Чаще всего этот способ применяется для финишной обработки режущих инструментов.

 

Рис. 11.5. Электрохимическая обработка: а – полирование; б – размерная обработка; 1 – ванна; 2 – электролит; 3 – заготовка; 4 – подача электролита; 5 – катод; 6 – слив электролита; 7 – продукты растворения; 8 – микронеровности; 9 – отверстие

Особенностью электрохимической размерной обработки(рис. 11.5, б) является электролиз в струе электролита, прокачиваемого под давлением через межэлектродный промежуток, образуемый заготовкой 3 и катодом 5.

Струя электролита удаляет и продукты электролиза из рабочей зоны. Способ позволяет одновременно обрабатывать всю поверхность заготовки, находящуюся под воздействием катода (необрабатываемые участки поверхности изолируются).

Электрохимической размерной обработке подвергаются нежесткие заготовки, сложно-фасонные заготовки, фасонные полости или фасонные глухие (сквозные) отверстия в труднообрабатываемых материалах. При обработке полостей или отверстий электролит подается по сквозному или глухому центральному каналу катода через отверстия 9.

Электроабразивная обработка.Особенность электроабразивной обработки состоит в том, что катодом является абразивный инструмент 2 (рис. 11.6, а), выполненный на электропроводящей связке (например, бакелитовая с графитным наполнителем). Между анодом (заготовкой 1) и инструментом имеется межэлектродный зазор за счет абразивных зерен 3, выступающих из связки. В этот зазор подается электролит 4. До 90 % припуска 5 удаляется за счет анодного растворения, 10–20 % припуска удаляется механической обработкой. При использовании алмазного абразивного инструмента (электроалмазная обработка) анодным растворением удаляется до 75 % припуска. Способ применяется для отделочной обработки нежестких заготовок и заготовок из труднообрабатываемых материалов.

Рис. 11.6. Электроабразивная обработка: а – шлифование; б – хонингование; 1 – заготовка; 2 – инструмент; 3 – абразивные зерна; 4 – электролит; 5 – припуск; 6 – хонинговальная головка; 7 – ванна; 8 – токосъемное кольцо; 9 – стол; 10 – изолятор

При электро-хонинговании (рис. 11.6, б) заготовку 1, установленную на токосъемное кольцо 8 и изолятор 10, помещают в ванну 7 с электролитом 4.

Ванну устанавливают на стол 9 хонинговального станка. Кинематика процесса аналогична кинематике обычного хонингования. Однако хонинговальная головка 6 оснащена не абразивными брусками, а брусками из липы, ольхи или пластмассы. Предварительное хонингование ведут в растворе электролита NaNO3 (натриевая селитра) с добавлением абразивного порошка зернистостью не более М28. Окончательное хонингование ведут в том же электролите, но с добавлением оксида хрома. Способ обеспечивает более низкую шероховатость поверхности (Ra 0,04–0,16 мкм − зеркальный блеск) и повышение производительности обработки в 4–5 раз.

Анодно-механическая обработка основана на комбинированном механическом, электроэрозионном и электрохимическом) воздействии на материал заготовки. Анод – заготовку 1 (рис. 11.7, а) и катод – режущий инструмент 3 включают в общую электрическую цепь постоянного тока. В зазор между ними подают электролит 2 (обычно жидкое стекло – водный раствор силиката натрия). Вследствие анодного растворения на заготовке образуется защитная пленка, которая разрушается режущим инструментом.

При снятии пленки между выступающими частями электродов происходят электрические разряды, что приводит к электрической эрозии.

Рис. 11.7. Анодно-механическая обработка:

а – разрезание; б – точение; в – обработка плоскости; 1 – заготовка; 2 – электролит; 3 – инструмент

Применение комбинации трех процессов позволяет за счет регулирования энергии отдельных составляющих проводить обработку в широких пределах. При черновой обработке операцию выполняют при большой плотности тока, при этом большое значение имеет тепловое электроэрозионное воздействие, приводящее к интенсивному снятию материала заготовки в результате плавления и взрывообразного испарения металла в среде электролита. Анодное растворение необходимо только для образования защитной пленки, обеспечивающей концентрацию дуговых разрядов на вершинах микронеровностей. Механическое воздействие обеспечивает вынос продуктов разрушения из зоны обработки. Чистовую обработку осуществляют при малой плотности тока. Основное значение имеет механизм анодного растворения и механического разрушения пленки. Эти процессы происходят на вершинах микронеровностей, что позволяет существенно уменьшить шероховатость поверхности и повысить точность обработки.

Анодно-механической обработке подвергаются все токопроводящие материалы, высокопрочные и труднообрабатываемые сплавы, твердые сплавы, вязкие материалы. Анодно-механической обработкой разрезают заготовки (см. рис. 11.7, а), прорезают пазы и щели, точат (рис. 11.7, б), обрабатывают плоские поверхности (рис. 11.7, в), полируют поверхности, затачивают режущий инструмент.

Ультразвуковая обработка.Метод ультразвуковой обработки (УЗО) основан на явлении магнитострикции, т. е. способности сердечника из ферромагнитных материалов изменять свои поперечное сечение и длину под воздействием переменного магнитного поля. Этим эффектом обладают никель, железокобальтовые и железоалюминиевые сплавы, феррит.

Принципиальная схема УЗО представлена на рис. 11.8, а. Заготовку 2 помещают в ванну 3, заполненную абразивной суспензией 1. К заготовке подводят инструмент – пуансон 4, закрепленный на торце концентратора 11, который расположен в магнитострикционном сердечнике 6, установленном в кожухе 5. Через кожух пропускают охлаждающую жидкость. Колебания сердечника возбуждаются с помощью генератора ультразвуковой частоты 8(частота – 16–30 кГц, амплитуда колебаний – 5–10 мкм) и источника постоянного тока 9. Абразивную суспензию прокачивают через систему «ванна 3 – резервуар 13 – насос 12».

 

Рис. 11.8. Ультразвуковая обработка: а – схема установки: 1 – суспензия; 2 – заготовка; 3 – ванна; 4 – пуансон; 5 – кожух; 6 – сердечник; 7 – подача охлаждающей жидкости; 8 – генератор; 9 – источник постоянного тока; 10 – слив охлаждающей жидкости; 11 – концентратор; 12 – насос; 13 – резервуар; б – примеры обработки

Концентратор 11 увеличивает амплитуду колебаний до 40–60 мкм. Колебательные движения инструмента передаются абразивным зернам суспензии. В результате соударений об обрабатываемую поверхность абразивные зерна скалывают микрочастички материала заготовки. Большое число соударений (до 30 000 в секунду) и кавитация обусловливают интенсивное разрушение поверхностного слоя заготовки.

Ультразвуковая обработка применяется для обработки сквозных и глухих отверстий различного поперечного сечения, фасонных полостей, для разрезания заготовок и т. п. (рис. 11.8, б). При помощи УЗО обрабатывают хрупкие твердые материалы: стекло, керамику, твердые сплавы, кремний, кварц, алмазы, а также цементированные, азотированные и закаленные стали.

 

Лазерная обработкаотносится к светолучевым методам упрочнения или снятия поверхностных слоев заготовки и основана на воздействии светового луча высококонцентрированной энергии на поверхность заготовки.

Источником светового излучения является оптический квантовый генератор (ОКГ) – лазер, принципом работы которого является индуцированное генерирование светового излучения.

Атомы вещества имеют определенный запас энергии и находятся в устойчивом энергетическом состоянии. Если атому дать дополнительную энергию («накачка», или возбуждение, атома), он выйдет из равновесного состояния. Атом стремится вернуться в устойчивое энергетическое состояние, выделяя квант энергии. Накачку активного вещества осуществляют импульсной лампой. Возбужденный атом, получив дополнительный фотон, излучает два фотона, возвращаясь в устойчивое энергетическое состояние. В результате происходит цепная реакция генерации светового излучения.

 

Рис. 11.9. Лазерная обработка: а – схема рубинового лазера; б – схемы управления лучом; 1 – батарея конденсаторов; 2 – пускатель; 3 – ксеноновая импульсная лампа; 4 – рубиновый стержень; 5 – оптическая система; 6 – заготовка; 7 – отражатель; 8 – зеркало

Для механической и упрочняющей обработки используют твердотельные ОКГ, рабочим элементом которых является синтетический рубиновый стержень (оксид алюминия, активированный 0,05 % хрома). Рубиновые лазеры (рис. 11.9, а) генерируют импульсы когерентного монохроматического красного света. Рубиновый стержень 4, торцы которого строго параллельны друг другу и перпендикулярны его оси, установлен в корпусе лазера. Левый торец покрыт непрозрачным слоем серебра, правый – полупрозрачным (коэффициент светопропускания 8 %). Источником возбуждения атомов хрома является ксеноновая импульсная лампа 3, подключенная к батарее конденсаторов 1 и включаемая пускателем 2. При включении пускового устройства энергия конденсаторов преобразуется в световую энергию импульсной лампы, световой поток которой фокусируется на рубиновом стержне отражателем 7, в результате чего атомы хрома возбуждаются.

Излучаемый возбужденными атомами хрома лавинообразный поток фотонов длиной волны 0,69 мкм многократно отражается от зеркальных торцевых поверхностей рубинового стержня и, проходя через полупрозрачный правый торец, фокусируется оптической системой 5 на заготовке6. Энергия единичного импульса невелика, но она выделяется за 10⁻⁶ с на площади 0,01 мм², поэтому в фокусе луча обеспечивается температура 6000–8000 °С. В месте попадания луча (на поверхности заготовки) металл моментально нагревается и испаряется.

Лазерную обработку применяют для прошивания сквозных и глухих отверстий, разрезания заготовок, фасонной резки листового металла, прорезания пазов, термической обработки поверхности заготовки (рис. 11.9, б).

Лазерная закалка применяется в тех случаях, когда закалка другими способами затруднительна. Поверхностное упрочнение лазером характеризуется следующими особенностями:

упрочнение локальных по глубине и площади участков;

локальное упрочнение полостей, недоступных обычным методам закалки;

отсутствие коробления заготовки;

получение при необходимости заданной микрошероховатости обработанной поверхности;

возможность легирования поверхностного слоя;

простота автоматизации процесса.

Упрочнению подвергаются углеродистые, малоуглеродистые, легированные и высоколегированные стали: У8А; У10А; 45; ХВГ; 9ХС; Х12; ШХ15; Р18; Р6М5К5Ф3 и др.

Лазерная закалка основана на местном нагреве поверхности до температур, лежащих в зоне «фазовые превращения – плавление», и высокоскоростном охлаждении поверхности за счет отвода теплоты к сердцевине заготовки. В результате образуется мелкозернистый мартенсит и остаточный аустенит. Глубина упрочнения – до 0,2 мм. Средняя производительность упрочнения: в атмосфере аргона – до 500 мм²/мин (закалка в атмосфере аргона предохраняет зону обработки от обезуглероживания); на воздухе – до 800 мм²/ мин.

Глубина упрочненного слоя, мм:

Z = аτ ,

где а – коэффициент температуропроводности, мм²/с; τ – длительность импульса лазерного воздействия, с.

Режимы лазерной закалки приведены в табл. 11.3.

В отечественном машиностроении для лазерной закалки наиболее часто используется установка «Квант-16». Схемы управления перемещением лазерного луча представлены на рис. 11.9, б.

Ответственные детали, работающие в условиях повышенного давления с малой площадью контакта (клапаны, седла клапанов, распределители), изготавливаются из высокохромистых аустенитных сталей (1Х17Н2, Х18Н10Т) с наплавкой стеллита, которую ведут дуговым, кислородно-ацетиленовым или аргонодуговым методами. Структура стеллита представляет собой твердый раствор на основе кобальта на фоне эвтектики. Его химический состав: углерод – 1,6–2,3 %; кремний – 1,5–2,5 %; хром – 26–32 %; кобальт – 59–65 %; вольфрам – 4–5 %; остальное – железо.

Таблица 11.3

Режимы лазерной закалки

 

П р и м е ч а н и е. Е – плотность энергии лазерного излучения; Z – глубина упрочненного слоя.

Различие в коэффициентах линейного расширения исключает обычные виды термообработки. Локальность нагрева поверхности заготовки лазером позволяет упрочнять стеллит. Упрочненная зона образуется последовательными пятнами фокусированного лазерного облучения с перекрытием 0,75 диаметра пятна шириной 0,6 мм.

Оптимальные режимы упрочнения стеллита: напряжение накачки − 980 В; удельная энергия импульса – 8 Дж/см2; длительность импульса – 4 мс; количество импульсов в фокальном пятне – 1–8; фокусное расстояние оптической системы – 37 мм; диаметр зоны проплавления – 0,4–0,6 мм.

Лазерное упрочнение приводит к повышению твердости до 49–50 HRC, глубина упрочненного слоя составляет 0,12–0,16 мм.

Плазменно-лучевая обработка(ПЛО) заключается в воздействии направленного потока ионизированных частиц газа, имеющих температуру до 20 000 °С (плазмы), на обрабатываемую поверхность. Потоком плазмы можно разрезать и сваривать различные сплавы, наплавлять на заготовку различные покрытия.

Плазменные горелки для резания питаются от стандартных сварочных источников тока. Сопло и электродную камеру выпускают двух типов: с дросселирующим воздушно-водяным охлаждением – для работы при силе тока 300–500 А и с комбинированным дросселирующим и водяным охлаждением – для работы при силе тока 700–800 А. Головки первого типа (рис. 11.10) имеют стеклотекстолитовый или фарфоровый корпус. Воздушно-водяная смесь дросселируется в камеру расширения, расположенную в верхней и нижней частях горелки, между крышкой 3 и наконечником 1. Обе части сообщаются через отверстие в корпусе 2. Ток от дросселя 5 подводится к цанге электрододержателя 4, верхний торец которого охлаждается переохлажденной воздушно-водяной смесью. Защитный газ (аргон или диссоциированный аммиак) подается в герметичную электродную камеру 6, установленную на нижнем торце корпуса соосно электроду. Анод – сопла 7 ввинчивается в центральное отверстие электродной камеры. Головки второго типа выполняются с фарфоровым корпусом. Токопровод к аноду впаивается в дополнительный водоотводящий шланг, который одновременно служит активным сопротивлением в цепи вспомогательной дуги и ограничивает силу тока до 60–90 А.

Высокая температура и скорость плазменной струи обеспечивают получение тепловой энергии высокой концентрации, поэтому ПЛО имеет высокую производительность резания любых материалов при относительно высокой шероховатости обработанной поверхности. Для обработки заготовок применяются головки как с выделенной, так и с совпадающей дугой. Первые более удобны для металлорежущих станков, но эффективность их ниже.

Рис. 11.10. Плазменная горелка с дросселирующим воздушно-водяным охлаждением: 1 – наконечник; 2 – корпус; 3 – крышка; 4 – цанга электрододержателя; 5 – дроссель; 6 – электродная камера; 7 – сопло

Плазменная лучевая обработка применяется как самостоятельная операция (резание заготовок, раскрой листового материала, прошивка отверстий) или выполняется совместно с точением, строганием, шлифованием (плазменно-механическая обработка).

Наиболее часто ПЛО применяется для разрезания листового материала.

Горелки с выделенной дугой используют для разрезания тонколистовых металлов и неэлектропроводных материалов. Горелки с совпадающей дугой применяют для разрезания толстолистовых металлов (листы из алюминиевых сплавов толщиной до 125 мм, стальные – до 100 мм). Скорость резания зависит от толщины листа (табл. 11.4).

Таблица 11.4

Режимы плазменного разрезания

 

Плазменно-механическая обработка(ПМО) заключается в использовании плазменной дуги для создания очага высокой концентрации теплоты, локализованной в зоне резания непосредственно перед режущей кромкой. Высокая эффективность ПМО достигается при строгом согласовании воздействий плазменной струи, осуществляемых последовательно с задержкой по времени в несколько долей секунды, и режущего инструмента на обрабатываемую поверхность.

Режимы дуги и резания подбирают таким образом, чтобы глубина зоны интенсивного нагрева 1 (рис. 11.11) соответствовала толщине срезаемого слоя, а температура материала, формирующего поверхностный слой заготовки, оставалась существенно ниже температуры начала структурных превращений. Плазменную горелку (плазмотрон) располагают таким образом, чтобы анодное пятно контакта 3 дуги постоянно находилось в заданной точке (центральная точка нагрева 2). Положение пятна контакта 3 определяют два параметра: расстояние L (величина запаздывания механического воздействия) и угол наклона плазмотрона ψ. Величина L определяется скоростью резания. Если скорость резания мала, a L велико, то к моменту подхода нагретого слоя к режущему клину слой успеет остыть.

Если скорость резания большая, a L мало, то срезаемый слой не успеет прогреться на заданную глубину.

Рис. 11.11. Плазменно-механическая обработка: 1 – зона интенсивного нагрева; 2 – центральная точка нагрева; 3 – анодное пятно контакта; а – толщина срезаемого слоя; L – величина запаздывания механического воздействия; t – глубина резания; ψ – угол наклона плазмотрона

Таблица 11.5

Режимы ПМО при точении

 

Одной из особенностей ПМО является образование лунки на обрабатываемой поверхности. Металл из лунки выдувается потоком плазмы, при этом увеличивается глубина и площадь прогрева материала заготовки, поэтому угол ψ должен быть как можно меньше. В то же время он должен быть таким, чтобы выдуваемый металл выбрасывался на обрабатываемую поверхность или на стружку, а не на обработанную поверхность или

переднюю поверхность режущего инструмента.

При ПМО получается сливная стружка кинжальной формы, опасная для станочника. Поднимаясь вверх, стружка может замкнуть сопло плазмотрона, поэтому у режущего инструмента необходимо предусматривать стружколомные канавки.

Каждая установка ПМО должна быть обеспечена системой местной вентиляции, поскольку при обработке выделяются вредные для здоровья человека мельчайшие частицы оксидов металлов и других соединений.

Плазменно-механическая обработка применяется для резания труднообрабатываемых материалов: высокохромистых сталей, никелевых и кобальтовых сплавов, жаропрочных и закаленных сталей. Типовые режимы ПМО для точения приведены в табл. 11.5.