Глава XII Методы обработки заготовок без снятия стружки

1. ЧИСТОВАЯ ОБРАБОТКА

ПЛАСТИЧЕСКИМ

ДЕФОРМИРОВАНИЕМ

Методы обработки без снятия струж­ки все больше применяют для деталей в связи с ужесточением эксплуатационных характеристик машин: высокой произво­дительности, быстроходности, прочности, точности и др. Такой обработке подверга­ют предварительно подготовленные по­верхности.

Если формы заготовок приблизить к формам готовых деталей, то ответствен­ные поверхности можно обрабатывать шлифованием и затем окончательно од-

ним из методов обработки без снятия стружки. Предоставляется возможность уменьшить количество отходов и упро­стить обработку.

Методы обработки основаны на ис­пользовании пластических свойств метал­лов, т.е. способности металлических заго­товок принимать остаточные деформации без нарушения целостности металла. От­делочная обработка методами пластиче­ского деформирования сопровождается упрочнением поверхностного слоя, что очень важно для повышения надежности работы деталей. Детали становятся менее чувствительными к усталостному разру­шению, повышаются их коррозионная

МЕТОДЫ ОБРАБОТКИ ЗАГОТОВОК БЕЗ СНЯТИЯ СТРУЖКИ

435

стойкость и износостойкость сопряжении, удаляются риски и микротрещины, остав­шиеся от предшествующей обработки. В ходе обработки шаровидная форма кри­сталлитов поверхности металла может измениться, кристаллиты сплющиваются в направлении деформации, образуется упорядоченная структура волокнистого характера. Поверхность заготовки прини­мает требуемые формы и размеры в ре­зультате перераспределения элементарных объемов под воздействием инструмента. Исходный объем заготовки остается по­стоянным.

В зоне обработки не возникает высо­кая температура, поэтому в поверхност­ных слоях фазовые превращения не про­исходят.

Обработку без снятия стружки выпол­няют на многих металлорежущих станках и установках, используя специальные ин­струменты. Созданы также особые станки, на которых наряду с резанием заготовки обрабатывают пластическим деформиро­ванием. Методы чистовой обработки ис­пользуют для всех металлов, способных пластически деформироваться, но наибо­лее эффективны они для металлов с твер­достью до НВ 280.

Ожидается, что эти методы все больше будут применяться для высокоточной

обработки и использоваться для деталей, размеры которых будут иметь точность в долях микрометра.

2. ОБКАТЫВАНИЕ И РАСКАТЫВАНИЕ ПОВЕРХНОСТЕЙ

Обкатыванием и раскатыванием отде­лывают и упрочняют цилиндрические, конические, плоские и фасонные наруж­ные и внутренние поверхности.

Сущность этих методов состоит в том, что в результате давления поверхностные слои металла, контактируя с инструмен­том высокой твердости, оказываются в состоянии всестороннего сжатия и пла­стически деформируются. Инструментом являются ролики и шарики, перемещаю­щиеся относительно заготовки. Микроне­ровности обрабатываемой поверхности сглаживаются путем смятия микровысту­пов и заполнения микровпадин.

Обкатывают, как правило, наружные поверхности, а раскатывают внутренние цилиндрические и фасонные поверхности. При обкатывании роликами основными параметрами режима упрочнения являют­ся давление в зоне контакта с роликом, число его проходов, подача и скорость обкатывания. Глубину деформированного слоя определяет давление.

_{3е" ")""fov}

*)

S)

Рис. 6.101. Схемы обкатывания и раскатывания поверхностей

436

МЕХАНИЧЕСКАЯ ОБРАБОТКА ЗАГОТОВОК ДЕТАЛЕЙ МАШИН

На рис. 6.101 показаны распространен­ные схемы обкатывания и раскатывания поверхностей. К вращающейся цилиндри­ческой заготовке подводят закаленный глад­кий ролик-обкатку (рис. 6.101, а), который под действием рабочего давления дефор­мирует поверхность. Движение продоль­ной подачи позволяет обрабатывать всю заготовку. Аналогичным инструментом обрабатывают элементы заготовок, но с поперечным движением (рис. 6.101, б). При раскатывании ролик-раскатку закреп­ляют на консольной оправке (рис. 6.101, в). Более совершенна конструкция инст­румента с несколькими роликами (рис. 6.101, г).

Для обеспечения значительной одно­родности форм микронеровностей исполь­зуют разнообразные конструкции инстру­ментов, различающихся числом и формой деформирующих частей (роликов, шари­ков). Наилучшие результаты обеспечива­ют инструменты, на которые силы пере­даются через упругие элементы. Этим достигаются постоянные условия обра­ботки в любой точке обрабатываемой по­верхности. Сила может регулироваться.

Для обработки поверхностей обкаты­ванием и раскатыванием чаще всего ис­пользуют токарные или карусельные станки, применяя вместо режущего инст­румента обкатки и раскатки. Суппорты обеспечивают необходимое движение по­дачи. Раскатки можно устанавливать в пиноли задних бабок. Глубокие отверстия раскатывают на станках для глубокого сверления.

Так как нагрев заготовок в местах кон­такта с инструментом незначителен, ох­лаждения не требуется. Для уменьшения трения используют смазывание веретен­ным маслом или керосином.

Обкатыванием и раскатыванием лишь в незначительной степени исправляют погрешности предшествующей обработки. Поэтому предварительная обработка заго­товок должна быть точной с учетом смя­тия микронеровностей и изменения окон­чательного размера детали. Решающее

значение в достижении необходимого ка­чества поверхностного слоя имеет давле­ние на поверхность. Чрезмерно большое давление так же, как и большое число проходов инструмента, разрушает поверх­ность и может привести к отслаиванию ее отдельных участков.

3. АЛМАЗНОЕ ВЫГЛАЖИВАНИЕ

Малой шероховатости поверхности и ее упрочнения можно достичь алмазным выглаживанием. Сущность этого метода состоит в том, что оставшиеся после обра­ботки резанием неровности поверхности выглаживаются перемещающимся по ней прижатым алмазным инструментом. Ал­маз, закрепленный в державке, не враща­ется, а скользит с весьма малым коэффи­циентом трения. Рабочая часть инстру­мента выполнена в виде полусферы, ци­линдра или конуса. Чем тверже обрабаты­ваемый материал, тем меньше радиус скругления рабочей части алмаза.

Преимущества алмазного выглажива­ния состоят в повышении эксплуатацион­ных свойств обработанных поверхностей, снижении шероховатости поверхности, отсутствии переноса на обрабатываемую поверхность посторонних частиц, воз­можности обработки тонкостенных дета­лей и деталей сложной конфигурации, простоте конструкции выглаживателей.

Заготовки обрабатывают на станках токарной группы. Державку с подпружи­ненным наконечником с алмазом устанав­ливают в резцедержателе вместо резца. Движения заготовки и инструмента анало­гичны движениям заготовки и инструмен­та при обтачивании.

Силы прижатия алмаза к обрабатывае­мой поверхности сравнительно малы и колеблются в интервале 50 ... 300 Н. Про­цесс выглаживания ведут со смазыванием веретенным маслом, что примерно в 5 раз уменьшает износ алмаза по сравнению с износом при выглаживании всухую. При­менение керосина или эмульсии приводит к интенсивному износу алмаза. Число проходов инструмента не должно быть более двух.

МЕТОДЫ ОБРАБОТКИ ЗАГОТОВОК БЕЗ СНЯТИЯ СТРУЖКИ

437

4. КАЛИБРОВКА ОТВЕРСТИЙ

Калибровкой повышают точность от­верстий и получают поверхности высоко­го качества. Метод характеризуется высо­кой производительностью.

Сущность калибровки сводится к пе­ремещению в отверстии с натягом жестко­го инструмента. Размеры поперечного сечения инструмента несколько больше размеров поперечного сечения отверстия. При этом инструмент сглаживает неров­ности, исправляет погрешности, упрочня­ет поверхность.

Простейшим инструментом служит шарик, который проталкивается штоком (рис. 6.102, а). Роль инструмента может выполнять также оправка-дорн (рис. 6.102, б), к которому прикладывается сжимающая или растягивающая (рис. 6.102, в) сила. Заготовки обрабатываются за один или несколько ходов инструмента.

Заготовки обрабатывают с малыми ли­бо большими натягами. В первом случае зона пластического деформирования не распространяется на всю толщину детали. Так обрабатывают толстостенные заготов­ки. Во втором случае зона пластического деформирования охватывает всю деталь. Этот вариант обработки используют для тонкостенных деталей, что существенно повышает их точность.

Шарики как инструмент не обеспечи­вают оптимальных условий деформирова­ния и имеют малую стойкость. Калиб­рующие оправки выполняют одноэле­ментными, многоэлементными или сбор­ными. Каждый из элементов-поясков име­ет свой размер. Деформирующие элемен­ты изготовляют из твердого сплава или стали, закаленных до высокой твердости.

В качестве смазочного материала для сталей и бронз применяют сульфофрезол, для чугунов - керосин. Разработаны спе­циальные смазочные материалы, обеспе­чивающие жидкостное трение. Они сни­жают рабочее усилие оборудования, спо­собствуют повышению качества поверх­ностных слоев, увеличивают точность об­работки и стойкость инструмента.

Отверстия калибруют на прессах (рис. 6.102, а, б) или горизонтально-протяжных станках (рис. 6.102, в). Для правильного взаимного расположения инструмента и заготовки обычно применяют самоустанав­ливающиеся приспособления с шаровой опорой. Заготовку не закрепляют.

5. ВИБРОНАКАТЫВАНИЕ

Для повышения износостойкости дета­лей машин на поверхностях трения целе­сообразно выдавливать слабозаметные, прилегающие друг к другу канавки. В ка­навках скапливаются смазочный материал

Рис. 6.102. Схемы калибровки отверстий

438

МЕХАНИЧЕСКАЯ ОБРАБОТКА ЗАГОТОВОК ДЕТАЛЕЙ МАШИН

Рис. 6.103. Схема вибронакатывания

и мелкие частицы, образовавшиеся в про­цессе изнашивания. Канавки образуются вибронакатыванием.

Упрочняющему элементу - шару или алмазу, установленному в резцедержателе токарного станка, помимо движения D_s

(рис. 6.103) специальным устройством сообщают дополнительные движения ал­маза Ц, с относительно малой амплиту­дой. Изменяя £>_заг, Аф> амплитуду и часто­ту колебаний, можно на обрабатываемой поверхности получить требуемый рису­нок. Распространение получили рисунки с непересекающимися канавками, с не пол­ностью пересекающимися и со сливаю­щимися канавками. Возможно также виб­ронакатывание внутренних и плоских по­верхностей.

Канавки одновременно упрочняют по­верхность. Важнейшей характеристикой такой поверхности является общая пло­щадь канавок (в процентах от номиналь­ной площади обрабатываемой поверхно­сти). Такие отклонения для каждого типа рисунка определяют аналитически.

6. ОБКАТЫВАНИЕ ЗУБЧАТЫХ КОЛЕС

Пластическое деформирование по­верхностных слоев повышает работоспо­собность зубчатых колес. Микронеровно­сти, оставшиеся от предшествующей об­работки, сглаживаются путем смятия спе­циальным инструментом.

Обрабатываемое зубчатое колесо вво­дят в плотное зацепление с тремя осталь­ными, закаленными эталонными колеса­ми. Последние имеют полированные зубья и располагаются вокруг обкатываемого колеса. Эталонные колеса прижимаются к обкатываемому с помощью пружинных устройств. Сила прижима регламентиру­ется. Одно из эталонных колес является ведущим и приводит во вращение обраба­тываемое колесо, а через него - два ос­тальных эталонных колеса. Движение ко­лес реверсируется. Колеса обкатывают со смазочными материалами на специальных зубообкатных станках.

Обкатыванием лишь частично исправ­ляют профиль зуба и его размеры путем сглаживания шероховатостей.

7. НАКАТЫВАНИЕ РЕЗЬБ, ШЛИЦЕВЫХ ВАЛОВ И ЗУБЧАТЫХ КОЛЕС

Формообразование фасонных поверх­ностей в холодном состоянии методом накатывания имеет ряд преимуществ. Главные из них - очень высокая произво­дительность, низкая стоимость обработки, высокое качество обработанных деталей. Накатанные детали имеют более высокое сопротивление усталости. Это объясняет­ся тем, что при формообразовании нака­тыванием волокна исходной заготовки не перерезаются, как при обработке резани­ем. Профиль накатываемых деталей обра­зуется за счет вдавливания инструмента в материал заготовки и выдавливания части его во впадины инструмента. Такие мето­ды сочетают в себе функции черновой, чистовой и отделочной обработок. Их ис­пользуют для получения резьб, валов с мелкими шлицами и зубчатых мелкомо­дульных колес.

Резьбы накатывают обычно до терми­ческой обработки, хотя точные резьбы можно накатывать и после нее.

При формировании резьбы плашками (рис. 6.104, а) заготовку 2 помещают меж­ду неподвижной 1 и подвижной 3 плаш-

МЕТОДЫ ОБРАБОТКИ ЗАГОТОВОК БЕЗ СНЯТИЯ СТРУЖКИ

439

=^Ц^2 3

а)

в) Рис. 6.104. Схемы накатывания

ками, имеющими на рабочих поверхно­стях рифления, профиль и расположение которых соответствуют профилю и шагу накатываемой резьбы. При перемещении подвижной плашки заготовка катится ме­жду инструментами, а на ее поверхности образуется резьба.

При формировании резьбы роликами (рис. 6.104, б) ролики 4 и 5 получают при­нудительное вращение, заготовка 2 сво­бодно обкатывается между ними. Ролику 5 придается радиальное движение для вдав­ливания в металл заготовки на необходи­мую глубину. Обработка роликами требу­ет меньших сил, с их помощью накатыва­ют резьбы с более крупным шагом.

При накатывании мелких шлицев на ва­лах (рис. 6.104, в) накатный ролик имеет про­филь шлицев. Он внедряется в поверхность заготовки при вращении и поступательном продольном перемещении вдоль вала.

Накатывание цилиндрических (рис. 6.104, г) и конических мелкомодульных колес в 15 ... 20 раз производительнее зу-бонарезания. Процесс можно осуществ­лять на токарных станках накатниками б

и 7, которые закреплены на суппорте и перемещаются, совершая движение D_s

Каждый накатник имеет заборную часть для постепенного образования накатывае­мых зубьев на заготовке 2.

Для накатывания применяют универ­сальное специальное оборудование. Для образования резьб служат резьбонакат-ные станки, обеспечивающие силы до 2 ■ 10⁵ Н. Эти станки автоматизированы и имеют горизонтальное, наклонное или вертикальное движение ползуна с плаш­кой. Резьбы роликами накатывают на ав­томатах.

На автоматизированном оборудовании -прессах - накатывают и шлицы. Шлице-накатный пресс может заменить 10 ... 15 шлицефрезерных станков. Рабочие уси­лия создаются мощными гидравлическими устройствами.

Зубчатые колеса накатывают на специ­альных станках. Получает распростране­ние комбинированное накатывание (горя­чее накатывание с последующей холодной калибровкой).

440

МЕХАНИЧЕСКАЯ ОБРАБОТКА ЗАГОТОВОК ДЕТАЛЕЙ МАШИН

Рис. 6.105. Схемы накатывания рифлений и клейм

8. НАКАТЫВАНИЕ РИФЛЕНИЙ И КЛЕЙМ

Методом холодного накатывания на отдельных элементах деталей наносят рифления, маркировочные клейма, знаки. Производительность метода весьма вели­ка. В основе накатывания лежит способ­ность металла получать местные дефор­мации под действием накатных роликов или накатников.

На рис. 6.105, а приведена схема нака­тывания рифленой поверхности. Заготовку закрепляют на токарном станке, на суп­порте которого установлена державка с одним или двумя накатными роликами. Ролики внедряются в поверхность заго­товки (D_s ) и перемещаются вдоль заго­товки с движением D_s . Вид рифлений

(рис. 6.105, б) определяется характером зубчиков на роликах. Крестовое рифление производят двумя роликами, один из ко­торых имеет правое направление отпеча­тывающих зубчиков, а другой - левое. Оба ролика вращаются на осях самоустанавли­вающейся державки. Для накатывания клейм (рис. 6.105, в) на накатнике / распо­лагают негативно выступающие знаки. Заготовку 2 устанавливают на ролики для более легкого перемещения в момент на­катывания.

9. УПРОЧНЯЮЩАЯ ОБРАБОТКА ПОВЕРХНОСТНЫХ СЛОЕВ ДЕТАЛЕЙ

Упрочняющую обработку предприни­мают для увеличения сопротивления уста­лости деталей. Методы упрочнения осно-

в)

ваны на локальном воздействии инстру­мента на обрабатываемый материал. При этом возникают многочисленные зоны воздействия на весьма малых участках поверхности, в результате чего создаются очень большие местные давления. Много­численные контакты с инструментом при­водят к упрочнению поверхностного слоя. В поверхностных слоях возникают суще­ственные напряжения сжатия.

Прочность конструкционных материа­лов повышается благодаря воздействию нагрузок, создающих эффективные пре­пятствия для движения несовершенств кристаллической решетки. При этом соз­даются структуры с повышенной плотно­стью закрепленных и равномерно распре­деленных по объему дислокаций.

Распространено упрочнение нанесени­ем ударов по поверхности заготовки ша­риками, роликами, различными бойками. При динамическом упрочнении в качестве инструмента используют диск, в котором по окружности в несколько рядов распо­ложены ролики, свободно сидящие на осях. Диск закрепляют на шпинделе ме­таллорежущего станка. При вращении диска ролики наносят по упрочняемой поверхности очень большое количество ударов.

При статическом упрочнении на по­верхность заготовки воздействуют вра­щающимися роликами в процессе об­катывания или раскатывания.

Процесс упрочнения можно выполнять на специальных установках. При ультра­звуковом деформационном упрочнении заготовки закрепляют в камерах,'содер-

МЕТОДЫ ОБРАБОТКИ ЗАГОТОВОК БЕЗ СНЯТИЯ СТРУЖКИ

441

жащих большое количество стальных ша­риков диаметром 1 мм, смачиваемых эмульсией. Камера получает колебания от ультразвукового генератора, и колеблю­щиеся шарики наносят удары по поверх­ности заготовки. Шероховатость поверх­ности после деформационного упрочнения увеличивается.

Распространено дробеструйное дина­мическое упрочнение. Готовые детали машин подвергают ударному действию потока дроби в специальных камерах, где дробинки с большой скоростью переме­щаются под действием потока воздушной струи или центробежной силы. Эффектом поверхностного упрочнения можно управ­лять, подавая сухую или мокрую дробь. Дробь изготовляют из отбеленного чугуна, стали, алюминия, стекла и других мате­риалов. Исходная шероховатость обраба­тываемой поверхности увеличивается.

Этот метод применяют для таких изде­лий, как рессорные листы, пружины, ло­патки турбин, штоки, штампы.

Эффект деформационного упрочнения повышается при использовании импульс­ных нагрузок, в частности взрывной вол­ны. При упрочении взрывом необходимы энергоноситель и среда, передающая дав­ление на упрочняемую деталь. В качестве энергоносителя используют бризантные взрывчатые вещества, обеспечивающие как поверхностные, так и сквозные упроч­нения деталей.

ВОПРОСЫ ДЛЯ САМОПРОВЕРКИ

1. Каковы основные преимущества обра­ботки без снятия стружки?

2. Каковы преимущества метода раскаты­вания отверстий инструментом с несколькими роликами?

3. Как вы представляете себе схему ав­томата для калибрования отверстий шариками?

4. Какой может быть схема обкатывания зубчатых колес?

5. Какова суть явления упрочнения по­верхностных слоев деталей?

РАЗДЕЛ

₇

ЭЛЕКТРОФИЗИЧЕСКИЕ

И ЭЛЕКТРОХИМИЧЕСКИЕ МЕТОДЫ

ОБРАБОТКИ

1. ХАРАКТЕРИСТИКА ЭЛЕКТРОФИЗИЧЕСКИХ И ЭЛЕКТРОХИМИЧЕСКИХ МЕТОДОВ ОБРАБОТКИ

Развитие всех отраслей промышленно­сти, особенно авиационной и ракетно-космической техники, привело к исполь­зованию материалов со специальными эксплуатационными свойствами: сверх­твердых, весьма вязких, жаропрочных, композиционных. Обработка заготовок из этих материалов обычными методами (способами) механической обработки весьма затруднительна или невозможна вообще. Поэтому параллельно с разработ­кой этих материалов создавались принци­пиально новые методы (способы) обра­ботки. Характерно, что при механической обработке в технологическом оборудова­нии электрическая энергия превращается в механическую и за счет силового воздей­ствия инструмента (штампа, резца, фрезы, шлифовального круга и т.д.) на заготовку происходит ее формоизменение (формо­образование).

Электрофизические и электрохимиче­ские (ЭФЭХ) методы обработки основаны на непосредственном воздействии различ­ных видов энергии (электрической, хими­ческой и др.) на обрабатываемую заготов­ку. При обработке заготовок этими мето­дами отсутствует силовое воздействие инструмента на заготовку или оно на-

столько мало, что практически не влияет на суммарную погрешность обработки. Эти методы позволяют изменять форму обрабатываемой поверхности заготовки и влиять на состояние поверхностного слоя. Так, в некоторых случаях наклеп обрабо­танной поверхности не образуется, де­фектный слой незначителен, удаляются прижоги поверхности, полученные при шлифовании, повышаются коррозионные, прочностные и другие эксплуатационные характеристики поверхностей деталей.

Кинематика формообразования по­верхностей деталей ЭФЭХ методами об­работки, как правило, проста, что обеспе­чивает точное регулирование процессов и их автоматизацию. ЭФЭХ методы обра­ботки являются универсальными и обес­печивают непрерывность процессов при одновременном формообразовании всей обрабатываемой поверхности. При этом появляется возможность обрабатывать очень сложные наружные и внутренние поверхности заготовок.

Технологическое оборудование для ЭФЭХ методов обработки, так же как и металлорежущие станки, оснащается сис­темами ЧПУ. Внедрение их в различных отраслях промышленности обеспечивает получение значительного экономического эффекта. Классификация ЭФЭХ методов обработки по их физической сущности показана на рис. 6.1.

ЭЛЕКТРОФИЗИЧЕСКИЕ И ЭЛЕКТРОХИМИЧЕСКИЕ МЕТОДЫ ОБРАБОТКИ

443

2. ЭЛЕКТРОЭРОЗИОННАЯ ОБРАБОТКА

При электроэрозионной обработке (ЭЭО) используют явление эрозии (разрушения) электродов из токопроводящих материалов при пропускании между ними импульсов электрического тока. Заготовку и инстру­мент, изготовленные из токопроводящих материалов, подключают к источнику тока -генератору импульсов (ГИ) и помещают в диэлектрическую жидкость (рис. 7.1).

При сближении электрода-инструмен­та (Э-И) и электрода-заготовки (Э-3) на расстояние в несколько микрометров (10 ... 50 мкм) между микровыступами на Э-И и Э-3 возникает электрический раз­ряд и образуется канал проводимости (рис. 7.1, а), в котором от катода к аноду движется поток электронов.

Навстречу этому потоку движутся бо­лее тяжелые частицы - ионы (рис. 7.1, б). Электроны быстрее достигают поверхно­сти анода. Поэтому энергия электрическо­го разряда смещается ближе к поверхности заготовки (Э-3). Температура электрическо­го разряда достигает 10 000 ... 12 000 °С. При такой температуре происходят мгно­венное оплавление и частичное испарение элементарного объема материала заготов­ки. При этом время протекания разряда чрезвычайно мало. Поэтому процесс вы­деления энергии сопровождается явле­нием микровзрыва. За счет этого опла-

вившиеся частицы металла выбрасыва­ются в окружающую среду (рис. 7.1, в), охлаждаются диэлектрической жидко­стью и застывают в виде малых шариков (0,01 ... 0,005 мм), образуя шлам - про­дукт эрозии. В результате на поверхности анода образуется сферическое углубление -лунка. Поверхность катода также подвер­гается частичному эрозионному разруше­нию (рис. 7.1, в).

Следующий разряд произойдет в том месте, где расстояние между инструмен­том и заготовкой окажется минимальным. Так образуется вторая лунка на поверхно­сти заготовки. При воздействии серии электрических импульсов с анода удаля­ется слой материала. Непрерывность про­цесса обеспечивается за счет подачи Э-И. Постоянство межэлектродного зазора обеспечивается автоматически с помощью следящих систем.

Обработанная поверхность представля­ет собой совокупность лунок (рис. 7.1, г), глубина которых определяет шерохова­тость поверхности.

Помимо шероховатости обработанная поверхность характеризуется следующими показателями:

- вследствие мгновенного нагрева по­верхности заготовки до температуры плавления металла и резкого охлаждения в среде диэлектрической жидкости возни­кают температурные напряжения, приво­дящие к возникновению микротрещин;

Рис. 7.1 .Схема процесса ЭЭО

В) в)

444

ЭЛЕКТРОФИЗИЧЕСКИЕ И ЭЛЕКТРОХИМИЧЕСКИЕ МЕТОДЫ ОБРАБОТКИ

• за счет нагрева до высоких темпера­тур и возможного поглощения углерода из окружающей среды в поверхностном слое происходят структурные изменения и, с учетом быстрого охлаждения, твердость поверхностного слоя значительно повы­шается по сравнению с твердостью основ­ного материала стальной заготовки;

• под действием высокой температуры в зоне оплавления основной материал вступает в химическую реакцию с отдель­ными элементами материалов электрода-инструмента и диэлектрической жидкости, что ведет к изменению химического со­става поверхностного слоя.

При малой длительности импульсов (5 ... 200 мкс) поверхности катода успева­ет достичь лишь малая доля ионов. По­этому поверхность катода значительно меньше подвергается эрозионному разру­шению по сравнению с поверхностью анода. Именно поэтому анодом делают заготовку (Э-3), а катодом - инструмент (Э-И). Такую полярность называют прямой (см. рис. 7.1, а). При большей длительно­сти импульсов (2 ■ 10² ... 10⁵ мкс) многие ионы успевают достичь поверхности ка­тода, и, обладая большей энергией по сравнению с потоком электронов, вызы­вают интенсивную эрозию катода. В этом случае обработку осуществляют при об­ратной полярности: Э-И является анодом, а Э-3 - катодом.

В зависимости от параметров импуль­сов и используемого оборудования ЭЭО подразделяют на электроискровую, элек­троимпульсную, высокочастотную и элек­троконтактную.

При электроискровой обработке ис­пользуют прямую полярность, т.е. Э-И подсоединяют к катоду, а Э-3 - к аноду. Генератор импульсов настраивают на со­ответствующие режимы обработки. Про­должительность импульса составляет 20 ... 200 мкс. Величина энергии импульса регу­лируется подбором емкости конденсаторов.

При увеличении емкости конденсатора накапливаемый запас энергии возрастает и, следовательно, повышается производи-

тельность процесса. В зависимости от ко­личества энергии, расходуемой в импуль­се, режим обработки делят на жесткий или средний (для предварительной обработки) и мягкий или особо мягкий (отделочной обработки). Мягкий режим обработки по­зволяет получать размеры с точностью до 0,002 мм при шероховатости поверхности Ra 0,63 ... 0,16 мкм.

Обработку ведут в ваннах, заполнен­ных диэлектрической жидкостью. Жид­кость исключает нагрев электродов (инст­румента и заготовки), охлаждает продукты разрушения, уменьшает боковые разряды между инструментом и заготовкой, что повышает точность обработки.

Для обеспечения непрерывности про­цесса обработки необходимо, чтобы зазор между инструментом-электродом и заго­товкой был постоянным. Для этого элек­троискровые станки снабжают следящей системой и механизмом автоматической подачи инструментов. Инструменты-элект­роды изготовляют из меди, латуни, медно-графитовых и других материалов.

В эрозионных станках используют раз­личные ГИ электрических разрядов: RC (резистор - емкость); RLC (L - индуктив­ность); LC; ламповые генераторы. В про­мышленности применяют широкодиапа­зонные транзисторные ГИ. Эти генерато­ры потребляют мощность 4 ... 18 кВт при силе тока 16 ... 125 А. Эффективность обработки составляет 75 ... 1900 мм³/мин при шероховатости обработанной поверх­ности 4 ... 0,2 мкм.

Электроискровым методом обрабаты­вают практически все токопроводящие материалы, но эффект эрозии при одних и тех же параметрах электрических импуль­сов различен. Зависимость интенсивности эрозии от свойств металлов называют элек­троэрозионной обрабатываемостью. Если принять электроэрозионную обрабатывае­мость стали за единицу, то для других ме­таллов ее можно представить в следующих относительных единицах: твердые сплавы -0,5; титан - 0,6; никель - 0,8; медь - 1,1; латунь - 1,6; алюминий - 4; магний - 6.

ЭЛЕКТРОФИЗИЧЕСКИЕ И ЭЛЕКТРОХИМИЧЕСКИЕ МЕТОДЫ ОБРАБОТКИ

445

о +

=+—о+

о-

■=4—о +

в)

Рис. 7.2. Схемы электроискровой обработки:

а - прошивание отверстия; б - обработка фасонной полости штампа; в - прошивание отверстия по способу трепанации; г - прошивание отверстия с криволинейной осью; д - вырезание заготовки из листа; е - шлифование внутренней поверхности фильеры

Электроискровым методом целесооб­разно обрабатывать твердые сплавы, труднообрабатываемые металлы и сплавы, тантал, молибден и другие материалы.

Электроискровым методом (рис. 7.2) получают сквозные отверстия любой фор­мы поперечного сечения (а), глухие от­верстия и полости (б), фасонные отверстия и полости по способу трепанации (в), от­верстия с криволинейными осями (г); вы­резают заготовки из листа (д), выполняют плоское, круглое и внутреннее (е) шлифо­вание, разрезают заготовки, клеймят детали.

Электроискровую обработку применя­ют для изготовления деталей штампов и пресс-форм, фильер, режущего инструмен­та, деталей топливной аппаратуры двигате­лей внутреннего сгорания, сеток и сит.

Электроискровую обработку применя­ют также для упрочнения поверхностного слоя металлов деталей машин, пресс-форм, режущего инструмента. Упрочне­ние состоит в том, что на поверхность из­делий наносят тонкий слой какого-либо металла, сплава или композиционного

материала. Подобные покрытия повыша­ют твердость, износостойкость, жаростой­кость, эрозионную стойкость и другие характеристики изделий.

На ограниченных участках особо на­груженной поверхности детали можно проводить сложнейшие микрометаллурги­ческие процессы.

Из электроэрозионных станков с сис­темами ЧПУ наибольшее распространение в промышленности имеют координатно-прошивочные, копировально-вырезные и универсальные копировалъно-прошивочные.

Координатно-прошивочные станки ра­ботают по позиционной системе ЧПУ, что позволяет автоматически по заданной программе устанавливать (позициониро­вать) заготовку относительно инструмента в необходимое положение. Обработку ве­дут профилированным инструментом. Во время обработки заготовка перемещений не имеет.

Копировально-вырезные станки рабо­тают по контурной системе ЧПУ. Обра­ботку ведут непрофилированным инстру-

446

ЭЛЕКТРОФИЗИЧЕСКИЕ И ЭЛЕКТРОХИМИЧЕСКИЕ МЕТОДЫ ОБРАБОТКИ

Рис. 7.3. Схема работы копировально-вырезного станка с ЧПУ:

1 - катушка с проволокой; 2 - электродвигатель привода натяжения проволоки; 3 - генератор импульсов; 4 -проволока-инструмент; 5 - электродвигатель привода подачи проволоки; 6 и 7 - электродвигатели привода винта продольной и поперечной подач; 8 - рабочий стол станка; 9 - электронная следящая система; 10 - блок управления работой станка

ментом - бесконечным электродом-проволокой (рис. 7.3). Применяют мед­ную, латунную, вольфрамовую, молибде­новую проволоку диаметром 0,02 ... 0,3 мм. Программное устройство станков обеспе­чивает не только регулирование движений формообразования, но и регулирование технологического режима - напряжения на искровом промежутке. Особенность процесса вырезки состоит в наличии пе­ременной эквидистанты, зависящей от ширины прорезаемого паза. Следователь­но, устройства ЧПУ станков должны обеспечивать коррекцию эквидистанты. В станках такого типа системы ЧПУ обес­печивают управление по четырем и более координатным осям.

В универсальных копировально-про-шивочных электроэрозионных станках используют две системы ЧПУ: систему адаптивного управления с предваритель­ным набором координат и режимов по программе и систему адаптивно-програм­много управления по трем координатным осям. В станках этого типа системы ЧПУ обеспечивают планетарное движение за­готовки в следящем режиме, автоматиче-

ское позиционирование заготовки и авто­матическую смену инструмента.

При электроимпульсной обработке используют электрические импульсы большой длительности (2 • 10² ... 10⁵ мкс). Большие мощности импульсов, получае­мых от электронных генераторов, обеспе­чивают высокую производительность процесса обработки. Применение генера­торов и графитовых электродов, а также обработка на обратной полярности позво­лили уменьшить разрушение электродов.

Электроимпульсную обработку

(рис. 7.4) наиболее целесообразно приме­нять при предварительной обработке штампов, турбинных лопаток, твердо­сплавных деталей, фасонных отверстий в деталях из коррозионно-стойких сталей и жаропрочных сплавов. В станках для электроимпульсной обработки широко используют различные системы про­граммного управления. Высокоточная конструкция станков с чувствительными сервосистемами позволяет изготовлять детали сложной геометрической формы с высокой точностью.

Приборы автоматического переключе­ния на разные подачу и глубину резания, управляемые системой ЧПУ, обеспечива­ют оптимальное использование электро­эрозионных станков, так как в зависимо­сти от хода процесса обработки режим работы согласуется с технологическими требованиями к деталям. Применяемые адаптивные системы программного уп­равления позволяют своевременно оп­ределять отклонения в ходе обработки и устранять их. Изменения параметров процесса обработки вносятся в устройства,

Рис. 7.4. Схема электроимпульсной обработки: 1 - электродвигатель; 2 - импульсный генератор постоянного тока; 3 - инструмент-электрод; 4 - заготовка-электрод; 5 - ванна

ЭЛЕКТРОФИЗИЧЕСКИЕ И ЭЛЕКТРОХИМИЧЕСКИЕ МЕТОДЫ ОБРАБОТКИ

447

формирующие сигнал коррекции, что по­зволяет с помощью простых электродов изготовлять детали сложных геометриче­ских форм, в частности полостей штампов.

Высокочастотную электроискровую обработку применяют для повышения точности и уменьшения шероховатости поверхностей, обработанных электроэро­зионным методом. Метод основан на ис­пользовании электрических импульсов малой мощности при частоте 100 ... 150 кГц.

При высокочастотной электроискровой обработке (рис. 7.5) конденсатор С разря­жается при замыкании первичной цепи импульсного трансформатора прерывате­лем, вакуумной лампой или тиратроном. Инструмент-электрод и заготовка включе­ны во вторичную цепь трансформатора, что исключает возникновение дугового разряда.

Производительность метода в 30 ... 50 раз выше, чем при электроискровом методе, при значительном увеличении точности и уменьшении шероховатости поверхности. Износ инструмента незначителен.

Высокочастотный электроискровой метод применяют при обработке заготовок из твердых сплавов, так как он исключает структурные изменения и образование микротрещин в поверхностном слое мате­риала обрабатываемой заготовки.

Электроконтактная обработка осно­вана на локальном нагреве заготовки в месте контакта с электродом-инструмен­том и удалении размягченного или даже расплавленного металла из зоны обработки механическим способом: относительным

Рис. 7.5. Схема высокочастотной электроис­кровой обработки:

/ - инструмент-электрод; 2 - заготовка-электрод; 3 - импульсный трансформатор; 4 - прерыватель тока; 5 - выпрямитель

Рис. 7.6. Схема электроконтактной обработки плоской поверхности:

1 - обрабатываемая заготовка; 2 - инструмент-электрод: 3 - трансформатор

движением заготовки и инструмента. Ис­точником теплоты в зоне обработки слу­жат импульсные дуговые разряды. Элек­троконтактную обработку оплавлением рекомендуют для обработки крупных де­талей из углеродистых и легированных сталей, чугуна, цветных сплавов, туго­плавких и специальных сплавов.

Метод применяют при зачистке отли­вок от заливов, отрезке литниковых сис­тем и прибылей, зачистке проката из спец­сплавов, черновом круглом наружном, внутреннем и плоском шлифовании кор­пусных деталей машин из труднообраба­тываемых сплавов (рис. 7.6), шлифовании с одновременной поверхностной закалкой деталей из углеродистых сталей. Метод обработки не обеспечивает высокой точ­ности и качества поверхности, но дает высокую производительность съема ме­талла вследствие использования больших электрических мощностей.

3. ЭЛЕКТРОХИМИЧЕСКИЕ МЕТОДЫ ОБРАБОТКИ

Электрохимические методы обработки основаны на законах анодного растворе­ния металлов при электролизе. При про­хождении электрического тока через элек­тролит на поверхности заготовки, вклю­ченной в электрическую цепь и являю­щейся анодом, происходят химические реакции, и поверхностный слой металла

448

ЭЛЕКТРОФИЗИЧЕСКИЕ И ЭЛЕКТРОХИМИЧЕСКИЕ МЕТОДЫ ОБРАБОТКИ

превращается в химическое соединение. Продукты электролиза переходят в раствор или удаляются механическим способом.

Производительность процессов зави­сит в основном от электрохимических свойств электролита, обрабатываемого то-копроводящего материала и плотности тока. Электрохимическое полирование (рис. 7.7) выполняют в ванне, заполненной электролитом. В зависимости от обраба­тываемого материала электролитом слу­жат растворы кислот или щелочей. Обра­батываемую заготовку подключают к ано­ду; электродом-катодом служит металли­ческая пластинка из свинца, меди, стали. Для большей интенсивности процесса электролит подогревают до температуры 40...80°С.

При подаче напряжения на электроды начинается процесс растворения металла заготовки-анода. Растворение происходит главным образом на выступах микроне­ровностей поверхности вследствие более высокой плотности тока на их вершинах. Кроме того, впадины между микровысту­пами заполняются продуктами растворе­ния: оксидами или солями, имеющими пониженную электропроводимость. В ре­зультате избирательного растворения, т.е. большой скорости растворения выступов, микронеровности сглаживаются, и обра­батываемая поверхность приобретает ме­таллический блеск. Электрополирование улучшает электрофизические характери­стики деталей, так как уменьшается глу­бина микротрещин, поверхностный слой обрабатываемых поверхностей не дефор­мируется, исключаются упрочнение и термические изменения структуры, повы­шается коррозионная стойкость.

Электрополирование позволяет одно­временно обрабатывать партию заготовок по всей их поверхности. Этим методом получают поверхности деталей под галь­ванические покрытия, доводят рабочие поверхности режущего инструмента, полируют тонкие ленты и фольгу, очища­ют и декоративно отделывают детали.

Вид А

Рис. 7.7. Схема электрохимического полирования: / - ванна; 2 - обрабатываемая заготовка; 3 - пластина-электрод; 4 - электролит, 5 - микровыступ; 6 - продукт анодного растворения

Электрохимическую размерную обра­ботку выполняют в струе электролита, прокачиваемого под давлением через меж­электродный промежуток, образуемый обрабатываемой заготовкой-анодом и ин­струментом-катодом .

Струя электролита, непрерывно пода­ваемого в межэлектродный промежуток, растворяет образующиеся на заготовке-аноде соли и удаляет их из зоны обработ­ки. При этом способе одновременно обра­батывается вся поверхность заготовки, находящаяся под активным воздействием катода, что обеспечивает высокую произ­водительность процесса. Участки заготов­ки, не требующие обработки, изолируют. Инструменту придают форму, обратную форме обрабатываемой поверхности. Формообразование поверхности происхо­дит по методу копирования.

Импульсное рабочее напряжение спо­собствует повышению точности обрабо­танной поверхности заготовки. Точность обработки значительно повышается при уменьшении рабочего зазора между заго­товкой и инструментом. Для контроля зазора используют высокочувствительные элементы, встраиваемые в следящую сис­тему. Способ рекомендуют для обработки заготовок из высокопрочных сплавов, карбидных и труднообрабатываемых ма­териалов. Отсутствие давления инстру­мента на заготовку позволяет обрабаты­вать нежесткие тонкостенные детали с высокими точностью и качеством обрабо­танной поверхности.

ЭЛЕКТРОФИЗИЧЕСКИЕ И ЭЛЕКТРОХИМИЧЕСКИЕ МЕТОДЫ ОБРАБОТКИ

449

Рис. 7.8. Схема электрохимической размерной обработки: / - инструмент-электрод; 2 - заготовка; 3 - изолятор

Для электрохимической размерной об­работки используют нейтральные элек­тролиты. Наиболее широко применяют растворы солей NaCl, NaN0₃ и Na₂S0₄.

На рис. 7.8 показаны схемы обработки заготовок в струе проточного электролита: турбинной лопатки (а), штампа (б) и схема прошивания сквозного цилиндрического отверстия (в).

Многие модели станков управляются системами ЧПУ. В процессе обработки система ЧПУ задает и контролирует вели­чины напряжения и тока, постоянство ра­бочего зазора, скорость подачи электрода-инструмента, скорость потока и концен­трацию электролита. Соблюдение этих параметров режима обеспечивает высокие точность и производительность обработки заготовок.

На модернизированных электрохими­ческих или электроэрозионных станках осуществляют комбинированную обра­ботку заготовок электроэрозионно-хими-ческим способом. Этот процесс обработ­ки, основанный на сочетании анодного растворения и эрозионного разрушения металла, более производителен, чем элек­трохимический, но уступает по точности и шероховатости обработанной поверхно­сти. Скорость обработки до 50 мм/мин; точность 0,2 ... 0,4мм; шероховатость Ra 10 ... 20 мкм.

При электроабразивной и электро­алмазной обработке инструментом-элект­родом служит шлифовальный круг из аб-

разивного материала на электропроводя­щей связке (бакелитовая связка с графито­вым наполнителем). Между анодом-заготовкой и катодом-шлифовальным кру­гом имеется межэлектродный зазор, обра­зованный зернами, выступающими из связки. В зазор подается электролит. Про­дукты анодного растворения материала заготовки удаляются абразивными зерна­ми; шлифовальный круг имеет вращатель­ное движение, а заготовка - движения по­дачи, т.е. движения, соответствующие процессу механического шлифования.

Введение в зону резания ультразвуко­вых колебаний повышает производитель­ность электроабразивного и электроал­мазного шлифования в 2 ... 2,5 раза при значительном улучшении качества обра­ботанной поверхности. Электроабразив­ные и электроалмазные методы применя­ют для отделочной обработки заготовок из труднообрабатываемых материалов, а так­же нежестких заготовок, так как силы ре­зания здесь незначительны. При этих ме­тодах обработки прижоги обрабатываемой поверхности практически исключены.

При электроабразивной обработке (рис. 7.9) 85 ... 90 % припуска удаляется за счет анодного растворения и 15 ... 10 % -за счет механического воздействия. При электроалмазной обработке ~ 75 % при­пуска удаляется за счет анодного раство­рения и ~ 25 % - за счет механического воздействия алмазных зерен.

15-9503

450

ЭЛЕКТРОФИЗИЧЕСКИЕ И ЭЛЕКТРОХИМИЧЕСКИЕ МЕТОДЫ ОБРАБОТКИ

9-

Вид А увеличено

Рис. 7.9. Схема электроабразивного шлифования: 1 - заготовка; 2 - абразивные зерна; 3 - связка шлифовального круга

Рис. 7.10. Схема электрохимического

хонингования цилиндра:

1 - хонинговальная головка; 2 - заготовка цилиндра;

3 - изолятор; 4 - ванна; 5 - стол хонинговапьного

станка

Отделочную обработку поверхностей заготовок можно проводить электрохими­ческим хонингованием (рис. 7.10). Кине­матика процесса соответствует хо-нингованию абразивными головками. От­личие состоит в том, что заготовку уста­навливают в ванне, заполненной электро­литом, и подключают к аноду. Хонинго-вальную головку подключают к катоду. Вместо абразивных брусков в головке ус­тановлены деревянные или пластмассо­вые. Продукты анодного растворения уда­ляются с обрабатываемой поверхности брусками при вращательном и возвратно-поступательном движениях хонинговаль-ной головки. Чтобы продукты анодного

растворения удалялись более активно, в электролит добавляют абразивные мате­риалы. После того как удаление припуска с обрабатываемой поверхности закончено, осуществляют процесс "выхаживания" поверхности при выключенном электри­ческом токе для полного удаления анод­ной пленки с обработанной поверхности. Электрохимическое хонингование обеспе­чивает более низкую шероховатость по­верхности, чем хонингование абразивны­ми брусками. Поверхность получает зер­кальный блеск. Производительность элек­трохимического хонингования в 4 ... 5 раз выше производительности механического хонингования.

4. АНОДНО-МЕХАНИЧЕСКАЯ ОБРАБОТКА

Анодно-механическая обработка осно­вана на сочетании электротермических и электромеханических процессов и занима­ет промежуточное место между электро­эрозионными и электрохимическими ме­тодами. Обрабатываемую заготовку под­ключают к аноду, а инструмент - к катоду. В зависимости от характера обработки и вида обрабатываемой поверхности в каче­стве инструмента используют металличе­ские диски, цилиндры, ленты, проволоку. Обработку ведут в среде электролита, ко­торым чаще всего служит водный раствор жидкого натриевого стекла. Заготовке и инструменту задают такие же движения, как при обычных методах механической обработки резанием. Электролит подают в зону обработки через сопло (рис. 7.11).

Рис. 7.11. Схема анодно-механической обработки плоской поверхности

ЭЛЕКТРОФИЗИЧЕСКИЕ И ЭЛЕКТРОХИМИЧЕСКИЕ МЕТОДЫ ОБРАБОТКИ

451

^{.^г£рде-}

U

пр

6+

Рис. 7.12. Примеры анодно-механической обработки

При пропускании через раствор элек­тролита постоянного электрического тока происходит процесс анодного растворе­ния, как при электрохимической обработ­ке. При соприкосновении инструмента-катода с микронеровностями обрабаты­ваемой поверхности заготовки-анода про­исходит процесс электроэрозии, присущий электроискровой обработке. Кроме того, при пропускании электрического тока ме­талл заготовки в точке контакта с инстру­ментом разогревается так же, как при электроконтактной обработке, и материал заготовки размягчается. Продукты элек­троэрозии и анодного растворения удаля­ются из зоны обработки при относитель­ных движениях инструмента и заготовки.

Анодно-механическим методом обра­батывают заготовки из всех токопроводя-щих материалов, высокопрочных и труд­нообрабатываемых металлов и сплавов, вязких материалов.

В станках для анодно-механической обработки используют системы ЧПУ. По программе осуществляется управление скоростями движений заготовки и инст­румента, поддерживается постоянство зазора в рабочем пространстве между ни­ми, задаются параметры электрического режима при переходе с черновой обработ­ки на чистовую.

Анодно-механическим методом (рис. 7.12) разрезают заготовки на части (а), проре­зают пазы и щели, обтачивают поверхно­сти тел вращения (б), шлифуют плоские

поверхности и поверхности, имеющие форму тел вращения (в), полируют поверх­ности, затачивают режущий инструмент.

5. ХИМИЧЕСКИЕ МЕТОДЫ ОБРАБОТКИ

Сущность химической обработки заготовок состоит в направленном раз­рушении металлов и сплавов травлением их в растворах кислот и щелочей.

Перед травлением обрабатываемые по­верхности заготовок тщательно очищают. Поверхности, не подлежащие обработке, защищают химически стойкими покры­тиями (окрашивают лаками и красками, применяют химические и гальванические покрытия, светочувствительные эмульсии).

Подготовленные к обработке заготовки опускают в ванну с раствором кислоты или щелочи в зависимости от материала, из которого они изготовлены. Незащи­щенные поверхности заготовок подверга­ют травлению. Чтобы скорость травления была постоянной, а это позволяет опреде­лять время удаления припуска, концен­трацию раствора поддерживают неизмен­ной. В целях интенсификации процесса травления раствор подогревают до темпе­ратуры 40 ... 80 °С. После обработки заго­товки промывают, нейтрализуют, еще раз промывают горячим содовым раствором и удаляют защитные покрытия.

Химическим травлением получают ме­стные утонения на нежестких заготовках, ребра жесткости, извилистые канавки и щели, "вафельные" поверхности, обраба-

15*

452

ЭЛЕКТРОФИЗИЧЕСКИЕ И ЭЛЕКТРОХИМИЧЕСКИЕ МЕТОДЫ ОБРАБОТКИ

тывают поверхности, труднодоступные для режущего инструмента.

Химико-механическим методом обра­батывают заготовки из твердых сплавов. Заготовки приклеивают специальными клеями к пластинам и опускают в ванну, заполненную суспензией, состоящей из раствора сернокислой меди и абразивного порошка. В результате обменной химиче­ской реакции на поверхностях заготовок выделяется рыхлая металлическая медь, а кобальтовая связка твердого сплава пере­ходит в раствор в виде соли, освобождая тем самым зерна карбидов титана, вольф­рама и тантала.

Медь вместе с карбидами сошлифовы-вается присутствующим в растворе абра­зивным порошком. В качестве инструмен­та используют чугунные диски или пла­стины. Карбиды удаляются в результате относительных движений инструмента и заготовок.

Химико-механическую обработку

применяют для разрезания и шлифования пластинок из твердого сплава, доводки твердосплавного инструмента.

6. УЛЬТРАЗВУКОВАЯ ОБРАБОТКА

Ультразвуковая обработка материалов -разновидность механической обработки -основана на разрушении обрабатываемого материала абразивными зернами под уда­рами инструмента, колеблющегося с ульт­развуковой частотой. Источником энергии служат ультразвуковые генераторы тока с частотой 16 ... 30 кГц. Инструмент полу­чает колебания от ультразвукового преоб­разователя с сердечником из магнито-стрикционного материала. Эффектом маг-нитострикции обладают никель, железо-никелевые сплавы (пермендюр), железо-алюминиевые сплавы (альфер), ферриты.

В сердечнике из магнитострикцион-ного материала при наличии электро­магнитного поля домены* разворачиваются

Домены - ферромагнитные области в фер­ромагнитных кристаллах, в которых атомные магнитные моменты ориентированы парал­лельно.

в направлении магнитных силовых линий, что вызывает изменение размера попереч­ного сечения сердечника и его длины. В переменном магнитном поле частота изменения длины сердечника равна часто­те колебаний тока. При совпадении часто­ты колебаний тока с собственной частотой колебаний сердечника наступает резонанс и амплитуда колебаний торца сердечника достигает 2 ... 10 мкм. Для увеличения амплитуды колебаний на сердечнике за­крепляют резонансный волновод перемен­ного поперечного сечения, что увеличивает амплитуду колебаний до 40 ... 60 мкм.

На волноводе закрепляют рабочий ин­струмент-пуансон. Под инструментом ус­танавливают заготовку и в зону обработки поливом или под давлением подают абра­зивную суспензию, состоящую из воды и абразивного материала. В качестве абра­зивных материалов используют карбид бора, карбид кремния, электрокорунд. Наибольшую производительность полу­чают при использовании карбидов бора. Инструмент поджимают к заготовке силой 1 ...60Н.

Заготовку 3 помещают в ванну / под инструментом 4 (рис. 7.13). Инструмент устанавливают на волноводе 5, который закреплен в магнитострикционном сер-

_\Ь=г±=Г

;э—I

■ '3

10

_\\+

4 Щ

12.

11

Рис. 7.13. Схема ультразвукового станка

ЭЛЕКТРОФИЗИЧЕСКИЕ И ЭЛЕКТРОХИМИЧЕСКИЕ МЕТОДЫ ОБРАБОТКИ

453

дечнике 7, смонтированном в кожухе б, сквозь который прокачивают воду для охлаждения сердечника. Для возбуждения колебаний сердечника магнитострикцион-ного преобразователя служат генератор 8 ультразвуковой частоты и источник по­стоянного тока 9. Абразивную суспензию 2 подают под давлением по патрубку 10 насосом 11, забирающим суспензию из резервуара 12. Прокачивание суспензии насосом исключает оседание абразивного порошка на дно ванны и обеспечивает подачу в зону обработки абразивного материала.

Кавитационные явления в жидкости способствуют интенсивному перемеще­нию абразивных зерен под инструмен­том, замене изношенных зерен новыми, а также разрушению обрабатываемого материала.

Ультразвуковым методом обрабаты­вают хрупкие твердые материалы: стекло, керамику, ферриты, кремний, кварц, дра­гоценные минералы, в том числе алмазы, твердые сплавы, титановые сплавы, вольфрам.

Метод используют для профилирова­ния наружных поверхностей, гравирова­ния, изготовления деталей сложной фор­мы. Движениями подачи для указанных видов обработки являются вертикальная подача инструмента при обработке отвер-

стий и полостей, продольная подача заго­товки при разрезании ее на части, про­дольная и поперечная подачи заготовки при разрезании ее по сложному контуру. Для управления движениями заготовки и вертикальной подачей инструмента исполь­зуют системы программного управления.

Ультразвуковым методом обрабаты­вают (рис. 7.14) сквозные и глухие отвер­стия любой формы поперечного сечения (а, б), фасонные полости (в), разрезают заготовки на части (г), прошивают отвер­стия с криволинейными осями, нарезают резьбы.

Рабочие инструменты для обработки отверстий диаметром 0,5 ... 20 мм выпол­няют сплошными: диаметром 20 ... 100 мм -полыми (обработка по способу трепана­ции). Пазы долбят, а заготовки разрезают ножевидными пуансонами; внутренние полости обрабатывают пуансонами, форма торцов которых обратна форме обрабаты­ваемой поверхности. Инструменты изго­товляют из закаленных, но вязких мате­риалов.

Точность размеров и шероховатость поверхностей, обработанных ультразвуко­вым методом, зависят от зернистости ис­пользуемых абразивных материалов и со­ответствуют точности и шероховатости поверхностей, обработанных шлифованием.

а) б)

в) г)

Рис. 7.14. Схемы ультразвуковой обработки поверхностей заготовок

454

ЭЛЕКТРОФИЗИЧЕСКИЕ И ЭЛЕКТРОХИМИЧЕСКИЕ МЕТОДЫ ОБРАБОТКИ

Использование ультразвуковых коле­баний оказалось эффективным и при обычных способах механической обработ­ки (точении, фрезеровании и др.). Нало­жение ультразвуковых колебаний малых амплитуд (2 ... 5 мкм) на режущий инст­румент (например, резец) в направлении главного движения резания существенно изменяет характер стружкообразования. Значительно снижается зона первичной и вторичной деформации срезаемого слоя металла, уменьшаются глубина и степень наклепа обработанной поверхности. Ульт­развуковые колебания почти полностью устраняют процессы наростообразования. Все это приводит к улучшению условий резания, снижению сил трения и повыше­нию качества поверхностного слоя.

Наиболее эффективным оказалось применение ультразвуковых колебаний малой амплитуды (2 ... 5 мкм) при обра­ботке жаропрочных, тугоплавких, титано­вых сплавов и других материалов, харак­теризующихся плохой обрабатываемо­стью резанием.

Эффективным оказалось также приме­нение ультразвуковых колебаний при ЭФЭХ методах обработки. Так, рацио­нальное совмещение электрохимической и ультразвуковой обработки твердых спла­вов позволяет в десятки раз повысить производительность труда и в несколько раз снизить износ инструмента и удель­ный расход электроэнергии.

7. ЛУЧЕВЫЕ МЕТОДЫ ОБРАБОТКИ

К лучевым методам формообразования поверхностей деталей машин относят электронно-лучевую и светолучевую (ла­зерную) обработку.

Электронно-лучевая обработка осно­вана на превращении кинетической энер­гии направленного пучка электронов в тепловую. Высокая плотность энергии сфокусированного электронного луча по­зволяет обрабатывать заготовки за счет нагрева, расплавления и испарения мате­риала с узколокального участка.

Схема установки для электронно­лучевой обработки (электронная пушка) приведена на рис. 5.15.

При размерной обработке заготовок установка работает в импульсном режиме, что обеспечивает локальный нагрев заго­товки. В зоне обработки температура дос­тигает 6000 °С, а на расстоянии 1 мкм от пятна фокусировки не превышает 300 °С. Продолжительность импульсов и интерва­лы между ними подбирают так, чтобы за один цикл успел нагреться и испариться только металл, находящийся под непо­средственным воздействием луча. Длитель­ность импульсов составляет 10^* ... Ю^-6 с, а частота 50 ... 6000 Гц.

Метод целесообразен при создании ло­кальной концентрации высокой энергии, широком регулировании и управлении тепловыми процессами. Вакуумные среды позволяют обрабатывать заготовки из лег-коокисляющихся активных материалов. С помощью электронного луча можно на­носить покрытия на поверхности загото­вок в виде пленок толщиной от несколь­ких микрометров до десятых долей мил­лиметра.

Электронно-лучевой метод перспекти­вен при обработке отверстий диаметром 1 мм ... 10 мкм, прорезании пазов, резке заготовок, изготовлении тонких пленок и сеток из фольги. Обрабатывают заготовки из труднообрабатываемых металлов и сплавов, а также из неметаллических ма­териалов: рубина, керамики, кварца, полу­проводниковых материалов.

Светолучевая (лазерная) обработка основана на тепловом воздействии свето­вого луча высокой энергии на поверхность обрабатываемой заготовки. Источником светового излучения служит лазер - опти­ческий квантовый генератор (ОКГ).

Энергия светового импульса ОКГ обычно невелика и составляет 20 ... 100 Дж, но она выделяется в миллионные доли секунды и сосредоточивается в луче диа­метром -0,01 мм. В фокусе диаметр луча

ЭЛЕКТРОФИЗИЧЕСКИЕ И ЭЛЕКТРОХИМИЧЕСКИЕ МЕТОДЫ ОБРАБОТКИ

455

лазера составляет всего несколько микро­метров, что обеспечивает температуру в зоне воздействия с металлом 6000 ... 8000 °С. В результате этого поверхностный слой материала заготовки мгновенно расплав­ляется и испаряется.

Лазерную обработку применяют для прошивания сквозных и глухих отверстий, разрезки заготовок на части, вырезания заготовок из листовых материалов, проре-зания пазов. Этим методом можно обраба­тывать заготовки из любых материалов, включая самые твердые и прочные. На­пример, лазерную обработку отверстий применяют при изготовлении диафрагм для электронно-лучевых установок. Диа­фрагмы изготовляют из вольфрамовой, танталовой, молибденовой или медной фольги толщиной ~ 50 мкм при диаметре отверстия 20 ... 30 мкм. С помощью ла­зерного луча можно выполнить контур­ную обработку по аналогии с фрезерова­нием, т.е. обработку поверхностей по сложному периметру. Перемещениями заготовки относительно луча управляет система ЧПУ, что позволяет прорезать в заготовках сложные криволинейные пазы или вырезать из заготовок детали сложной геометрической формы.

8. ПЛАЗМЕННАЯ ОБРАБОТКА

Сущность обработки состоит в том, что плазму направляют на обрабатывае­мую поверхность (см. разд. V, гл. 2, п. 8).

Плазменным методом обрабатывают заготовки из любых материалов, выполняя прошивание отверстий, вырезку заготовок из листового материала, строгание, точе­ние. При прошивании отверстий, разрезке и вырезке заготовок головку устанавливают

перпендикулярно к поверхности заготов­ки, при строгании и точении - под углом 40... 60°.

Принципиально новым методом изго­товления деталей является плазменное напыление с целью получения заданных размеров. В камеру плазмотрона подаются порошкообразный конструкционный ма­териал и одновременно инертный газ под высоким давлением. Под действием дуго­вого разряда конструкционный материал плавится и переходит в состояние плазмы. Струя плазмы сжимается в плазмотроне плазмообразующим газом. Выходя из со­пла, струя плазмы направляется на обра­батываемую заготовку. Системы верти­кальной и горизонтальной разверток обес­печивают перемещение струи по поверх­ности обработки.

Плазменное напыление применяют и для получения деталей из напыляемого материала. Детали получаются в результа­те наращивания микрочастиц конструкци­онного материала в определенных местах экрана. Иногда вместо экрана используют тонкостенную заготовку, на которую на­правляется плазма, и происходит наращи­вание металла.

ВОПРОСЫ ДЛЯ САМОПРОВЕРКИ

1. Какова физическая сущность электро­эрозионных методов обработки материалов?

2. Каковы физико-механические свойства материала заготовки, обрабатываемой ультра­звуком?

3. Назовите область применения элект­рохимической обработки.

4. Объясните физическую сущность эффек­ та магнитострикции.

5. Назовите области применения анодно- механической обработки.

РАЗДЕЛО ИЗГОТОВЛЕНИЕ ДЕТАЛЕЙ О ИЗ КОМПОЗИЦИОННЫХ МАТЕРИАЛОВ