Глава 4. Электрофизические и электрохимические методы размерной обработки материалов

4.1. Общие сведения

Перед промышленностью постоянно возникает ряд технологи­ческих проблем, связанных с обработкой новых материалов или с изготовлением изделий, форма поверхности которых или ее со­стояние не могут быть получены известными в настоящее время механическими методами. Наряду с обработкой особо прочных материалов большие трудности представляет собой обработка весьма хрупких материалов, например, неметаллических материалов (ал­мазов, кварца, керамики и т.д.), полупроводниковые (германия, кремния) и других материалов. Можно назвать еще рад техноло­гических проблем, таких, например, как получение изделий с по­верхностями высокого класса чистоты (от Ra 0,01 до Rz 0,05 мкм), удаление деформированного слоя, снятие заусенцев.

Перечисленные выше и ряд других технологических задач мо­гут быть решены электрическими, электрохимическими процесса­ми, ударно-импульсными воздействиями и различными видами лучевой энергии, плазменными дугой или струей.

Наиболее важные общие особенности этих методов — это ре­ализация энергии формоизменения непосредственно в зоне об­работки и возможность осуществить локальное изменение фор­мы заготовки. Последняя в свою очередь — основное условие проведения размерной обработки, что позволяет осуществлять опе­рации, аналогичные сверлению, фрезерованию практически при отсутствии усилий обработки. Обработка заготовок указанными методами осуществляется за счет протекания на поверхности об­рабатываемых заготовок тех или иных эрозионных процессов. Из­вестно, что эрозия (разрушение поверхности) может осуществ­ляться за счет механических воздействий (истирания, выкраши­вания); химического или электрохимического растворения; вы­бросов частичек металла под действием электрического заряда; локального испарения материала с поверхности изделия под дей­ствием лучевой энергии (пучка электронов, луча лазера) или уда­ления частиц материала зернами абразивных и других материа­лов; гидродинамическими силами, возникающими при схлопывании кавитационных пузырей; плазменными дугой или горелкой.

Материал заготовки, подвергаемой электрической обработке обязательно должен быть электропроводным. Группа электроэрозионных методов включает в себя электроконтактный, анодно-механический, электроискровой, электроимпульсный и высокочастотный электроимпульсный методы обработки, являющиеся результатами различных сочетаний теплового или химического действия тока, а также механического воздействия инструмента. Каждый из этих методов имеет свои особенности, технические и технологические характеристики, определяющие их область применения.

4.2. Электроконтактная обработка

Электроконтактный метод основан на локальном нагреве обра­зующихся в области обработки контактных перемычек — точек соприкосновения макровыступов электродов (инструмента и заго­товки) и удалении размягченного или даже расплавленного металла из области обработки механическим способом за счет относи­тельного перемещения электродов. В результате последовательно чередующихся нагрева и разрушения контактных мостиков проис­ходит прерывание тока, проходящего через зону обработки, т.е. механическое генерирование импульсов (это необходимое усло­вие протекания эрозионного процесса). Генерирование импуль­сов при электроконтактной обработке может осуществляться не только за счет механического разрушения контактных мостиков, возникающего при относительном перемещении электродов или_; вибрации электрода-инструмента, но также и при разрушении мостиков гидравлическим способом — сильной струей жидкости.

Основными параметрами, определяющими характер процессов, возникающих в зоне обработки, являются напряжение на электро­дах и давление между электродами.

При низких напряжениях (до 10... 12 В) и незначительных кон­тактных давлениях (до 0,1 МПа) съем металла осуществляется за счет нагрева при прохождении тока через перемычки, так как ду­говые разряды при разрывах перемычек не возникают. При повы­шении контактного давления сила трения между электродами (ин­струментом и заготовкой) увеличивается, и процесс начинает приближаться к фрикционно-механическому, сопровождаясь значи­тельными деформациями поверхности заготовки.

При напряжениях 20...40 В металл удаляется дуговыми разря­дом, давление между электродами практически отсутствует и про­цесс приближается к оплавлению электрической дугой.

Рис. 4.1. Схема электроконтактной обработки периферией диска: 1 — электрод-инструмент; 2 — то­косъемник; 3 — понижающий транс­форматор; 4 — обрабатываемая заго­товка; D_r — главное движение; А_пр - движение продольной подачи; D_s -движение тангенциальной подачи

В зависимости от схемы реа­лизации —вида инструмента (ра­ботающего плоскостью или пери­ферией диска, резца, проволочной щеткой и т.д.), характера движе­ния (относительного перемеще­ния электродов — инструмента и заготовки), среды, в которой про­текает обработка (воздуха, реже воды или масла), а также вида ис­пользуемого электрического тока (обычно переменного, а при ра­боте с охлаждением — постоян­ного) электроконтактный метод имеет большое количество разновидностей.

Наиболее характерная схема электроконтактного метода обработ­ки представлена на рис. 4.1. К электроду-инструменту, вращающе­муся металлическому диску 1 через токосъемник 2 от понижающею трансформатора 3 подводится переменный ток промышленной час­тоты напряжением от 6 до 40 В. Другой электрод — это обрабатыва­емая заготовка 4, перемещающаяся в процессе обработки в требуе­мом направлении. Сила тока может достигать 5 000... 8 000 А.

В качестве материала инструмента применяют чугунные или медные диски, первоначальная шероховатость которых не имеет значения, так как в процессе обработки рабочая поверхность дис­ка покрывается эрозионными впадинами и прочными пленками оксидов. Эти впадины облегчают вынос продуктов разрушения из зоны обработки, а оксидные пленки в некоторой степени упроч­няют рабочую поверхность диска.

По такой принципиальной схеме происходит электроконтакт­ная обработка на ряде заготовительных операций (разрезка слит­ков, обдирка плоских и сложных фасонных поверхностей, пред­варительная обработка шаров, очистка деталей от окалины и т.д.). Шероховатость поверхности обычно бывает близка к Rz 320 мкы.

Другая разновидность метода электроконтактной обработки — это электромеханическое точение, выполняемое по аналогичной схеме. При электромеханическом точении выделяющаяся в зоне резания теплота снижает усилия резания, одновременно повыша­ется обрабатываемость и достигается шероховатость поверхности Ra 2,5... 1,25 мкм. Характерная особенность этого метода — уп­рочнение поверхности обработки, что повышает усталостную проч­ность деталей, работающих при нормальной температуре. Этим объясняется применение данного метода взамен шлифования.

Энергетические условия, при которых протекает процесс лю­бого вида электроконтактной обработки, одинаковы.