Введение в специальность

150206 «Машины и технология высокоэффективных процессов обработки материалов»

1. Электрофизические и электрохимические методы обработки, их классификация.

Электрохимические и электрофизические методы обработки материалов за последние годы все больше применяются как наиболее эффективные и экономичные, а нередко и как единственно возможные способы изготовления заготовок и деталей (особенно из современных высокопрочных и труднообрабатываемых металлических и неметаллических конструкционных материалов). Расширяется внедрение в промышленность так называемой совмещенной, или комбинированной, электрохимической и электрофизической обработки, когда традиционные методы формообразования (обработка резанием, штамповка и др.) дополняются электрохимическим или электрофизическим воздействием на обрабатываемый материал в целях интенсификации операций. В ряде случаев совмещают отдельные разновидности электрохимической и электрофизической обработки.

К электрохимическим и электрофизическим методам обработки материалов относят методы изменения формы, размеров, шероховатости и свойств обрабатываемых поверхностей заготовок, происходящие под воздействием электрического тока и его разрядов, электромагнитного поля, электронного или оптического излучения, плазменной струи, а также высокоэнергетических импульсов и магнитострикционного эффекта. Отличительной особенностью этих методов является использование электрической энергии непосредственно для технологических целей без промежуточного преобразования ее в другие виды энергии. Причем использование электрической энергии осуществляется непосредственно в рабочей зоне через химические, тепловые и механические воздействия.

К этим методам относят также и различные сочетания (совмещения) в одном процессе нескольких из указанных, способов воздействия между собой или с традиционными методами обработки резанием или давлением. Такие методы называют комбинированными.

Классификация электрофизических и электрохимических методов обработки:

1. Электрофизические методы обработки

а) Электроэрозионные

- электроискровая обработка

- электроимпульсная обработка

б) Электромеханические методы

- электроконтактная обработка

- электроабразиваная обработка

- магнитоимпульсная обработка

- электрогидравлическая обработка

- ультразвуковая обработка

в) Лучевые методы

- электроннолучевая обработка

- лазерная обработка

г) Плазменная обработка

2. Электрохимические методы обработки

а) Поверхностные методы

- электролитическое полирование

- анодирование

- пассивирование

- гальванопластика

- гальваностегия

б) Размерные методы

- анодно-механическая обработка

- анодно-гидравлическая обработка

3. Комбинированные методы обработки

Электрохимикофизические и комбинированные методы обработки характеризуются следующими технологическими особенностями:

1. Обработка материалов без приложения значительных механических усилий и без непосредственного механического контакта обрабатывающей поверхности инструмента с обрабатываемой поверхностью заготовки.

2. Получением сложных по форме поверхностей заготовок при сравнительно простой кинематике процессов.

3. Значительно меньшей зависимостью основных технологических показателей процессов от физико-механических свойств обрабатываемого материала.

4. Простотой, низкой себестоимостью и высокой стойкостью применяемого инструмента, а иногда и отсутствием его износа.

5. Большими возможностями интенсификации многих технологических процессов механической обработки, нанесения покрытий, сварки, пайки и других.

6. Возможностями механизации и автоматизации основных технологических и вспомогательных переходов.

7. Возможностями сокращения, а во многих случаях и исключения необходимости расходования остродефицитных и дорогих инструментальных сталей и сплавов, а также потерь обрабатываемых материалов.

Наряду с перечисленными положительными особенностями электрофизических и комбинированных методов обработки им присущи и некоторые недостатки или ограничения. Основные недостатки:

1. Повышенная энергоемкость процессов при равнозначных с механической обработкой производительности и качественных показателях;

2. Относительная громоздкость применяемого технологического оборудования и оснастки, а также необходимость применения специальных источников питания;

3. Необходимость размещения технологического оборудования в отдельных помещениях.

Электрофизические методы обработки

Электроэрозионная обработка основана на вырывании частиц материала с поверхности импульсом электрического разряда. Если задано напряжение между электродами, погруженными в жидкий диэлектрик, то при их сближении происходит пробой диэлектрика — возникает электрический разряд, в канале которого образуется плазма с высокой температурой.

Т.к. длительность используемых в данном методе обработки электрических импульсов не превышает 10^-2 сек, выделяющееся тепло не успевает распространиться в глубь материала и даже незначительной энергии оказывается достаточно, чтобы разогреть, расплавить и испарить небольшое количество вещества. Кроме того, давление, развиваемое частицами плазмы при ударе об электрод, способствует выбросу не только расплавленного, но и просто разогретого вещества. Поскольку электрический пробой, как правило, происходит по кратчайшему пути, то прежде всего разрушаются наиболее близко расположенные участки электродов. При приближении одного электрода заданной формы к другому поверхность последнего примет форму поверхности первого. Производительность процесса, качество получаемой поверхности в основном определяются параметрами электрических импульсов (их длительностью, частотой следования, энергией в импульсе). Электроэрозионный метод обработки объединил электроискровой и электроимпульсный методы.

Электроискровая обработка основана на использовании искрового разряда. При этом в канале разряда температура достигает 10000 °С, развиваются значительные гидродинамические силы, но сами импульсы относительно короткие и, следовательно, содержат мало энергии, поэтому воздействие каждого импульса на поверхность материала невелико. Метод позволяет получить хорошую поверхность, но не обладает достаточной производительностью. Кроме того, при этом методе износ инструмента относительно велик (достигает 100% от объёма снятого материала). Метод используется в основном при прецизионной обработке небольших деталей, мелких отверстий, вырезке контуров.

Электроимпульсная обработка основана на использовании импульсов дугового разряда. В отличие от искрового, дуговой разряд имеет температуру плазмы ниже (4000—5000°С), что позволяет увеличивать длительность импульсов, уменьшать промежутки между ними и вводить в зону обработки значительные мощности (несколько десятков квт), т. е. увеличивать производительность обработки. Характерное для дугового разряда преимущественно разрушение катода приводит к тому, что износ инструмента ниже, чем при электроискровой обработке, составляя 0,05—0,3% от объёма снятого материала.

Электроэрозионные методы особенно эффективны при обработке твёрдых материалов и сложных фасонных изделий. При обработке твёрдых материалов механическими способами большое значение приобретает износ инструмента. Условно технологические приёмы электроэрозионной обработки можно разделить на прошивание и копирование. Прошиванием удаётся получать отверстия диаметром менее 0,3 мм, что невозможно сделать механическими методами. В этом случае инструментом служит тонкая проволочка. Этот приём на 20—70% сокращает затраты на изготовление отверстий малого диаметра. Более того, электроэрозионные методы позволяют изготовлять спиральные отверстия. Первый в мире советский электроэрозионный (электроискровой) станок был предназначен для удаления застрявшего в детали сломанного инструмента (1943).

Электромеханическая обработка объединяет методы, совмещающие одновременное механическое и электрическое воздействие на обрабатываемый материал в зоне обработки. К ним же относят методы, основанные на использовании некоторых физических явлений (например, гидравлический удар, ультразвук и др.).

Электроконтактная обработка основана на введении в зону механической обработки электрической энергии — возбуждении мощной дуги переменного или постоянного тока (до 12 кА при напряжении до 50 В) между инструментом и изделием. Применяется для обдирки литья, резки и других видов обработки, аналогичных по кинематике движений почти всем видам механической обработки. Преимущества метода — высокая производительность на грубых режимах, простота инструмента, работа при относительно небольших напряжениях. Недостатки — большая шероховатость обработанной поверхности, тепловые воздействия на металл при жёстких режимах.

Разновидностью электроконтактной обработки является электроабразивная обработка — обработка абразивным инструментом (в т. ч. алмазно-абразивным), изготовленным на основе проводящих материалов. Введение в зону обработки электрической энергии значительно сокращает износ инструмента.

Магнитоимпульсная обработка применяется для пластического деформирования металлов и сплавов и основана на непосредственном преобразовании энергии меняющегося с большой скоростью магнитного поля, возбуждаемого при разряде батареи мощных конденсаторов на индуктор, в механическую работу при взаимодействии с проводником (изделием). Преимущества метода — отсутствие движущихся и трущихся частей в установках, высокая надёжность и производительность, лёгкость управления и компактность; недостатки — относительно невысокий кпд, затруднительность обработки заготовок с отверстиями или пазами (мешающими протеканию тока) и большой толщины.

Электрогидравлическая обработка (главным образом штамповка). Основана на использовании энергии гидравлического удара при мощном электрическом (искровом) разряде в жидком диэлектрике.

К лучевым методам обработки относится обработка материалов электронным пучком и световыми лучами. Электроннолучевая обработка осуществляется потоком электронов высоких энергий (до 100 кэв). Таким путём можно обрабатывать все известные материалы. Электроннолучевые станки могут выполнять резание и сварку с большой точностью. Основой электроннолучевого станка является электронная пушка. Из-за относительно высокой стоимости, малой производительности, технической сложности станки используются в основном для выполнения прецизионных работ в микроэлектронике, изготовления фильер с отверстиями малых диаметров, работ с особо чистыми материалами.

К электрофизическим методам обработки относится также плазменная обработка.

Электрохимические методы обработки

Основаны на законах электрохимии. По используемым принципам эти методы разделяют на анодные и катодные, по технологическим возможностям - на поверхностные и размерные.

Механизм съема (растворения, удаления) металла при ЭХО основан на электролизе - процессе, при котором происходит окисление или восстановление поверхностей электродов, соединенных с источником питания и помещенных в токопроводящий раствор - электролит. Один из электродов (заготовка) присоединен к положительному полюсу ИП и является анодом, а вто­рой (инструмент) — к отрицательному; последний яв­ляется катодом.

Поверхностная электрохимическая обработка. Практическое использование электрохимических методов началось с 30-х гг. XIX в. Первый патент на электролитическое полирование был выдан в 1910. Суть метода состоит в том, что под действием электрического тока в электролите происходит растворение материала анода (анодное растворение), причём быстрее всего растворяются выступающие части поверхности, что приводит к её выравниванию. При этом материал снимается со всей поверхности, в отличие от механического полирования, где снимаются только наиболее выступающие части. Электролитическое полирование позволяет получить поверхности весьма малой шероховатости. Важное отличие от механического полирования — отсутствие каких-либо изменений в структуре обрабатываемого материала. 

Размерная электрохимическая обработка. К этим методам обработки относят анодно-гидравлическую и анодно-механическую обработку.

В соответствии с ГОСТ 25330-82 наименования видов ЭХО отражают как физико-химические особенности съема ма­териала заготовки, так и их технологическое назначение.

В зависимости от физико-химических особенностей съема металла разновидности ЭХО объединяют в две группы.

К первой группе относятся все виды ЭХО, при осуществлении которых припуск с заготовок удаляется только за счет электрохимического растворе­ния, а ко второй — разновидности, при реализации кото­рых наряду с электрохимическим растворением происхо­дит одновременное удаление припуска за счет дополни­тельного механического или электротермического воз­действий.

При выполнении операций первой группы разновидностей ЭХО образуются легкорастворимые в воде соединения, выпадающие в электролит и с его потоком уда­ляемые из зоны обработки. Необходимость дополнитель­ного механического или электротехнического воздействия на металл заготовки при ЭХО обусловлена образованием при анодном растворении на поверхности электропроводящих заготовок труднорас­творимых соединений (пленок). При осуществлении процес­сов, входящих в первую группу, инструменты не изнашиваются, а во вторую — изнашиваются.

Электрохимическая обработка выполняется в стацио­нарном или в проточном электролите.

Процесс анодного растворения обрабатываемых по­верхностей в проточном электролите характеризуется не только явлениями, происходящими на поверхности анода, но и гидродинамикой общего потока электролита.

Анодно-гидравлическая обработка впервые была применена в Советском Союзе в конце 20-х гг. для извлечения из заготовки остатков застрявшего сломанного инструмента. Скорость анодного растворения зависит от расстояния между электродами: чем оно меньше, тем интенсивнее происходит растворение. Поэтому при сближении электродов поверхность анода (заготовка) будет в точности повторять поверхность катода (инструмента). Однако процессу растворения мешают продукты электролиза, скапливающиеся в зоне обработки, и истощение электролита. Удаление продуктов растворения и обновление электролита осуществляются либо механическим способом (анодно-механическая обработка), либо прокачиванием электролита через зону обработки.

Этим методом, подбирая электролит, можно обрабатывать практически любые токопроводящие материалы, обеспечивая высокую производительность в сочетании с высоким качеством поверхности. Используемые для анодно-гидравлической обработки электрохимические станки просты в обращении, используют низковольтное (до 24 в) электрооборудование. Однако значительные плотности тока (до 200 а/см²) требуют мощных источников тока, больших расходов электролита (иногда до 1/3 площади цехов занимают баки для электролита).

Комбинированные методы обработки сочетают в себе преимущества электрофизических и электрохимических методов. Используемые сочетания разнообразны. Например, сочетание анодно-механической обработки с ультразвуковой в некоторых случаях повышает производительность в 20 раз. Существующие электроэрозионно-ультразвуковые станки позволяют использовать оба метода как раздельно, так и вместе.

Лазеры история развития

Сейчас лазеры используются в космических иссле­дованиях, в машиностроении, в медицине, в вычисли­тельной технике, в самолетостроении и военной технике. Непрерывно увеличивается применение лазеров в научных исследованиях – физических, химических, биологических. Исполь­зуются лазеры и в различных видах военной техники – наземной, морской, воздушной.

В 1955–1957 годах появились работы Н.Г. Басова, Б.М. Вула, Ю.М. Попова и А.М. Прохорова в России, а также американских ученых Ч. Таунса и А. Шавлова, в которых были приведены научные обоснования для соз­дания квантовых генераторов оптического диапазона. В декабре 1960 года Т. Мейман сумел построить первый успешно работающий лазер с рубиновым стержнем в ка­честве активного вещества.

В 1961 году под руководством американского ученого А. Джавана был создан газовый лазер. Он использовал в качестве активной среды смесь газов гелия и неона.

В 1962 году практически одновременно в России и в США был создан лазер, у которого в качестве активного вещества применили полупроводниковый элемент.

Большой вклад в решение проблемы безопас­ности посадки самолетов в сложных условиях внесла лазерная техника. Широко распространена еще одна важная область применения лазеров – лазерная технология, с помощью которой обеспечивается резка, сварка, легирование, скрайбирование металлов и обра­ботка интегральных микросхем.

Значительный эффект получен и при использовании лазеров в медицине. Был создан лазерный скальпель. Возникла лазерная микрохирургия глаза. Лазеры применяются в стоматологии, нейрохирургии, при операциях на сердце и диагностике заболеваний. Ультрафиолетовые лазеры применяют для раннего обнаружения раковых опухолей.

В пищевой промышленности исследуются возможно­сти применения лазеров для улучшения качества хлебо­продуктов, ускорения производства безалкогольных на­питков с улучшенными свойствами, сохранения качества мяса и мясопродуктов.

Лазер – это устройство, в котором энергия, например тепловая, химическая, электрическая, преобразуется в энергию электромагнитного поля – лазерный луч. Слово лазер образовано как сочетание первых букв слов английского выражения «Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation» («усиление света при помощи индуцированного излучения»).

Свойства лазерного излучения. Лазерные источники света обладают рядом существенных преимуществ по сравнению с другими источниками света:

1. Лазеры способны создавать пучки света с очень малым углом расхождения (около 10^-5 рад).

2. Свет лазера обладает исклю­чительной монохроматичностью. В отличие от обычных источников света, атомы которых излучают свет не­зависимо друг от друга, в лазерах атомы излучают свет согласованно. Поэтому фаза волны не испытывает нерегулярных изменений.

3. Лазеры являются самыми мощными источниками света. В уз­ком интервале спектра кратковре­менно (в течение промежутка време­ни продолжительностью порядка 10^-13 с) у некоторых типов лазеров достигается мощность излучения 10¹⁷ Вт/см², в то время как мощ­ность излучения Солнца равна толь­ко 710³ Вт/см², причем суммарно по всему спектру. На узкий же интер­вал =10^-6 см (ширина спектральной линии лазера) приходится у Солнца всего лишь 0,2 Вт/см². На­пряженность электрического поля в электромагнитной волне, излучаемой лазером, превышает напряженность поля внутри атома.

Принцип действия лазеров. В обычных условиях большинство атомов находится в низшем энергетическом состоянии. Поэтому при низких температурах вещества не светятся.

При прохождении электромагнитной волны сквозь вещество её энергия поглощается. За счёт поглощённой энергии волны часть атомов возбуждается, т. е. Переходит в высшее энергетическое состояние. При этом от светового пучка отнимается энергия

h=E₂–E₁

равная разности энергий между уровнями 2 и 1.

2 2

1 1

а б

Рис.1 Схема поглощения