6. Комбинированные методы обработки
6.1. Физические воздействия на объект при формообразовании поверхностей
В основе всех методов обработки лежат известные физические явления, которые определяют технологические показатели процессов формообразования.
К таким воздействиям относятся: механические, тепловые, химические, магнитные, ядерные. Электрический ток, подаваемый в зону обработки, является источником энергии на технологические цели. В ряде случаев (например, при электрохимической размерной обработке) он интенсифицирует процессы, которые возможны и без подвода тока (например, разрушение металла за счет коррозии, химическое травление и др.).
К наиболее изученным и востребованным в технологии машиностроения относится механическое воздействие на объект обработки, которое имеет два вида: постоянное и импульсное (дискретное).
Постоянное воздействие применяется в большинстве процессов лезвийной обработки (при точении, сверлении, фрезеровании, протягивании и др.), в случае формообразования пластической деформацией (раскатка, дорнование, экструдирование и др.).
К импульсному воздействию относят обработку абразивным инструментом (шлифование, полирование, притирка и др.), пластическое деформирование ударным методом (ковка, штамповка, вибрационное упрочнение и др.), обработку с наложением ультразвуковых колебаний (размерная обработка, интенсификация процессов и др.).
Этот вид воздействий занимает более половины трудоемкости при изготовлении деталей машин, поэтому повышение его технологических показателей за счет комбинирования с другими видами воздействий может дать наибольший эффект и открывает новые возможности по расширению технологических возможностей производства при создании наукоемкой конкурентоспособной продукции.
Тепловое воздействие может иметь как самостоятельное технологическое приложение (термообработка, плавление, сварка и др.), так и сопутствовать при других процессах (нагрев изделий при механообработке, что может вызывать прижоги, выгорание элементов), придание материалам особых (например, магнитных) свойств и др. Следовательно, в большинстве известных технологических приемов речь может идти о комбинации нескольких воздействий, хотя в ряде случаев, например, появление источников тепла снижает качество изделий, в связи с чем необходимо принимать меры к устранению или локализации такого воздействия.
Тепловое воздействие лежит в основе ряда электрических методов обработки: электроэрозионной, лучевых. Здесь электрический ток образует мощные тепловые источники, способные разогревать и плавить материалы. Сопутствующим процессом является термообработка поверхностного слоя, изменяющая его характеристики и служащая способом повышения твердости и износоустойчивости. Таким образом электрические методы в основном являются комбинированными, хотя часто используют единое тепловое воздействие для различных технологических операций (формообразование, термообработка, в некоторых случаях – химико-термическое упрочнение).
Химическое воздействие используется при химическом травлении (например, для очистки заготовок, при полировании, формообразовании листовых материалов, получении неглубоких выемок, знаков и др.), нанесении покрытий (никелирование, хромирование, гальванопластика и др.), химико-термической обработке (цементация, цианирование и др.). Оно же лежит в основе электрохимической размерной обработки, протекающей за счет химических реакций преобразования (под действием энергии электрического тока) металлов в гидроокислы и выноса продуктов из зоны обработки динамическим воздействием жидкости (электролита). Таким образом, этот вид технологического приложения тока может быть отнесен к комбинированному методу (химическое и постоянное механическое воздействие).
Магнитное воздействие в большинстве случаев является структурной составляющей всех процессов, где используется электрический ток, т.к. при прохождении тока возникают электромагнитные поля различной интенсивности, которые могут составить часть комбинированного метода обработки с участием магнитного поля. Однако, определяющее влияние рассматриваемого вида технологического воздействия проявляется только в отдельных процессах, например, при полировании поверхностей ферромагнитными абразивными зернами, электромагнитной разделительной и объемной штамповке, механической очистке изделий от загрязнений, упрочнении деталей, а также в магнитных муфтах для передачи движений через стенки, средствах управления и автоматики. В комбинированных методах обработки самостоятельное магнитное воздействие используется весьма редко, поэтому подробно здесь не рассматривается. Более полную информацию по этому вопросу можно получить из справочников [115].
Ядерное воздействие на современном уровне исследований практически не изучено, хотя имеются сведения о положительном влиянии облучения на интенсивность резания труднообрабатываемых материалов, повышение предела усталостной прочности деталей, работающих при знакопеременных нагрузках. Есть основания считать, что под действием излучения происходят физические процессы на уровне атомов и молекул вещества, изменяющие внутреннюю энергию и напряжения, что может быть использовано для технологических целей в комбинированных методах обработки. Однако, в настоящее время неизвестны количественные показатели ядерного воздействия, а имеющиеся отрывочные сведения по качественным связям показателей процесса с технологическими возможностями недостаточны для использования ядерных воздействий в качестве составляющих факторов комбинированной обработки. Кроме того, при облучении необходимо учитывать возможное воздействие этого явления на живые организмы, и требуются особые меры защиты персонала, его охраны, создание дорогостоящих изолированных участков, что не во всех случаях экономически оправдано.
6.2. Классификация воздействий
в комбинированных методах обработки
При разработке новых комбинированных методов может использоваться два и более воздействий, основные из которых приведены на рис. 6.1.
Под комбинированными методами будем понимать технологические процессы, в которых использованы виды воздействий, оказывающих существенное влияние на повышение технологических показателей проектируемого способа формообразования или изменение эксплуатационных характеристик изделий.
Сочетание различных воздействий на объект обработки с наложением электрического поля позволяет повысить технологические возможности процессов и достичь результатов, открывающих возможность создания изделий нового поколения, не имеющих аналогов на мировом рынке.
Комбинированные методы обработки проектируют путем объединения рассмотренных в 6.1 физических воздействий: теплового, химического, механического, магнитного, ядерного. Электрическое поле является не только источником энергии, но и интенсифицирующим фактором, усиливающим значение базовых воздействий.
|
Рис. 6.1. Связи воздействий комбинированными методами обработки |
Примером может служить коррозия металлов, где за счет внутренних электрических токов происходит разрушение структурных составляющих сплавов. Подобный же механизм раскрывает процесс электрохимической размерной обработки, который происходит путем подвода внешнего тока большой величины, что приводит к ускорению съема металла на несколько порядков. Все известные способы обработки материалов представляют из себя комбинацию воздействий.
Как показано в 6.1, механическое резание лезвийным и абразивным инструментом сопровождается тепловыми явлениями (нагрев, термические превращения материала и др.), химическими изменениями (химического состава сплавов, особенно в поверхностном слое, разложением материалов, переходом продуктов обработки в новое агрегатное состояние и др.), другими явлениями, замеченными, например, при облучении (ядерном воздействии) металлов на операциях разделения, когда за счет облучения скорость резания возрастает в несколько раз при снижении удельного расхода подводимой энергии.
При описании механизма протекания процесса комбинированной обработки с наложением электрического поля достаточно учитывать только основные воздействия, главным образом внешние, которые поддаются управлению, и некоторые виды взаимного влияния, вызванные изменениями показателей от внешних воздействий.
В зависимости от используемого электрического тока рассматриваются анодные, катодные процессы, а также методы обработки, протекающие при переменном токе.
Анализ возможных сочетаний известных воздействий позволяет утверждать, что из них можно спроектировать не менее 800 новых комбинированных процессов, обладающих существенными полезными свойствами. Однако, в настоящее время изучено или практически используется не более 20–30 таких технологических приемов, в основном при прямом подключении постоянного тока, где анодом является заготовка. Это составляет около 2% от возможного количества комбинированных методов.
В таблице 6.1. показаны комбинированные методы обработки, технологические возможности которых могут использоваться в машиностроении. Значительная часть этих методов создана на уровне изобретений и исследована в объемах, необходимых для проектирования технологии их применения в машиностроении.
Таблица 6.1. Комбинированные методы обработки (КМО) с наложением электрического поля
Вид процесса |
Процесс |
КМО |
Синтез известных методов |
Основной вид воздействия |
Основные технологические приложения |
1 |
2 |
3 |
4 |
5 |
6 |
I |
Анодный |
Электроэрозионнохимический |
Электроискровая обработка (ЭИсО) |
Тепловое импульсное |
Прошивание отверстий, полостей |
Электрохимическая размерная обработка |
Химическое |
Маркирование сплавов с диэлектрическим покрытием по а.с. 973271 |
|||
|
|
Электроабразивный |
Механическое импульсное воздействие (МИВ) |
Механическое силовое импульсное (МСИ) |
Шлифование твердых токопроводящих материалов |
Электроконтактная обработка в жидкой среде (ЭКО) |
Тепловое циклическое |
Электрохимикоабразивное хонингование, притирка |
1 |
2 |
3 |
4 |
5 |
6 |
|
|
|
ЭХО (при наличии токопроводящей рабочей среды) |
Химическое |
Шлифование крупногабаритных изделий по патенту 2224626 |
|
|
Электромеханическое упрочнение |
ЭКО в жидкой среде |
Тепловое импульсное |
Механическое упрочнение сплавов с наложением тока за счет образования закаленной зоны на заготовке |
|
|
МИВ |
МСИ |
||
|
|
Электрохимикомеханический |
Механическое постоянное воздействие (МПВ) |
Механическое силовое (МС) |
Чистовая обработка каналов с гарантированным наклепом поверхностного слоя по а.с. 1085734, 663518, по патенту 2191664. Разделение металлических конструкций по патенту 2165341 |
|
|
|
ЭХО |
Химическое |
|
|
|
Электроконтактнохимический |
ЭХО при низком напряжении |
Химическое |
Локальное удаление припуска (восстановление профиля зуба, шлицевых и зубчатых контактных пар при одностороннем износе по патенту 2183150) и др. |
1 |
2 |
3 |
4 |
5 |
6 |
|
|
|
МПВ |
Механическое силовое постоянное малой интенсивности |
|
|
|
Безабразивная полировка диэлектрическим притиром |
ЭХО |
Химическое (анодное растворение)
|
Отделочная обработка металлических заготовок с дополнительным электродом-инструментом и притиром из диэлектрика (например, из бука, минералокерамики) |
|
|
МПВ |
МС малой величины |
||
|
|
Электроконтактная обработка непрофилированным инструментом |
ЭКО |
Тепловое циклическое |
Безразмерная и размерная черновая и чистовая обработка металлических заготовок (литье, штамповка и др.) электродом-щеткой по а.с. 914227, 891307 и др. |
|
|
МПВ |
Механическое силовое прерывистое
|
||
|
|
МИВ |
МСИ |
||
|
|
ЭХО |
Химическое |
||
|
|
Электрохимикофотонный |
ЭХО |
Химическое |
Электрохимическая размерная обработка с интенсификацией процесса лазером |
|
|
Лазер |
Тепловое постоянное (импульсное) |
1 |
2 |
3 |
4 |
5 |
6 |
|
|
Электрохимикоимпульсномеханический |
ЭХО |
Химическое |
Глубокое электрохимическое маркирование металлов по а.с. 1192917 |
|
|
МИВ |
МС ударное |
||
|
|
Электрохимикоимпульсный |
ЭХО |
Химическое |
Разделение материалов с периодическим импульсом напряжения от внешнего источника по а.с. 1016129, 1426697 и др. |
|
|
ЭИсО |
Тепловое импульсное |
||
|
|
МИВ |
МС |
||
|
|
ЭКО |
Тепловое циклическое |
||
|
|
Электрохимикохимический |
ЭХО |
Химическое |
Контрастное электрохимическое маркирование сплавов с применением коагуляторов по а.с. 941143. Введение в рабочую среду химически активных добавок (при обработке титановых сплавов – йодистого, бромистого калия и др., обработка металлических покрытий на диэлектриках (например, на заготовках печатных плат) по а.с. 1299719 и др. |
|
|
Химическое осаждение материалов |
Химическое |
1 |
2 |
3 |
4 |
5 |
6 |
|
|
Механикоультразвуковой |
МПВ (МИВ) |
Механическое |
Интенсивное размерное механическое формообразование, прошивание с наложением УЗК на инструмент |
|
|
Ультразвуковой (УЗК) |
Механическое бесконтактное высокочастотное |
||
|
|
Электроэрозионновибрационный |
Электроэрозионное (ЭЭО) |
Тепловое импульсное |
Интенсивное прошивание отверстий |
|
|
Вибрация инструмента (заготовки) в направлении подачи инструмента |
Механическое бесконтактное |
||
|
|
Электрохимикоультразвуковой |
ЭХО |
Химическое |
Интенсивная ЭХО при небольших размерах инструмента |
|
|
УЗК с подачей колебаний на инструмент |
Механическое бесконтактное высокочастотное |
||
|
|
УЗК с подачей колебаний на рабочую среду |
Механическое бесконтактное высокочастотное |
Обработка глубоких отверстий малого сечения с прямой или криволинейной осью в металлических и диэлектрических прессованных материалах по а.с. 1673329, 944850 и др. |
1 |
2 |
3 |
4 |
5 |
6 |
|
|
Электрохимиковибрационный |
ЭХО |
Химическое |
Интенсивная ЭХО металлических заготовок |
|
|
Вибрация инструмента (заготовки) |
Механическое бесконтактное низкочастотное |
||
|
|
Обработка несвязанными токопроводящими гранулами |
ЭХО |
Химическое |
Чистовая безразмерная и размерная обработка труднодоступных для инструмента участков металлических заготовок по а.с. 697290, патенту 2166417 и др. |
|
|
МИВ |
МСИ |
||
|
|
Обработка несвязанными диэлектрическими гранулами |
ЭХО (через дополнительные электроды) |
Химическое |
Чистовая безразмерная обработка с дополнительным электродом-инструментом и гранулами |
|
|
МИВ |
МСИ |
||
|
|
Электрохимический в управляемом магнитном поле |
МИВ |
МСИ |
Безразмерная чистовая обработка свободным токопроводящим абразивом различных материалов |
|
|
Магнитное воздействие на токопроводящий абразивный порошок |
Магнитное переменное поле |
1 |
2 |
3 |
4 |
5 |
6 |
|
|
|
ЭХО |
Химическое |
|
|
|
Воздействие на параметры рабочей среды |
Магнитное переменное поле |
Повышение точности за счет изменения вязкости рабочей среды и поляризации |
|
|
|
Электрохимикотермический |
ЭХО |
Химическое |
Локализация процесса обработки за счет индукционного нагрева участков заготовки по а.с. 778981, инструмента по а.с. 1657303 и локального охлаждения рабочей среды по а.с. 1707856 |
|
|
Нагрев (охлаждение) |
Тепловое (импульсное или циклическое) |
||
|
|
ЭХО с управляемым вектором действия электромагнитного поля |
ЭХО |
Химическое |
Изготовление отверстий с различным положением оси. Формирование разделительной кромки при изготовлении листовых заготовок толщиной до 1 мм |
Электрическое поле на границе металлического шаблона |
Магнитное поле |
1 |
2 |
3 |
4 |
5 |
6 |
II |
Катодный (инструмент - анод) |
Электроабразивный |
МИВ |
МСИ |
Шлифование вязких и пластичных токопроводящих материалов токопроводящими инструментами. Электроабразивное полирование, притирка, отделка поверхности |
ЭКО |
Тепловое циклическое |
||||
|
ЭХО |
Химическое |
|||
|
|
Электроэрозионное легирование |
ЭИсО |
Тепловое импульсное или циклическое |
Изменение свойств поверхностного слоя металлических заготовок с осаждением поверхностных покрытий |
|
|
Легирование |
Химическое |
||
|
|
Термодиффузия |
Тепловое общее |
||
|
|
Покрытия |
Тепловое локальное |
||
|
|
Упрочнение |
Термическое локальное |
||
|
|
Криогенноэрозионное упрочнение и легирование |
ЭИсО |
Тепловое импульсное или циклическое |
Упрочнение, например, медицинского инструмента без образования покрытия по патенту 2108808 |
|
|
Термодиффузия |
Тепловое с высоким градиентом |
||
|
|
Легирование |
Химическое |
1 |
2 |
3 |
4 |
5 |
6 |
|
|
Электроэрозионное восстановление деталей с термическим упрочнением |
ЭИсО (ЭИмО) |
Тепловое импульсное |
Восстановление изношенных токопроводящих поверхностей с нанесением покрытия толщиной до 1,5 мм без общего нагрева детали |
|
|
ЭКО |
Тепловое циклическое |
||
|
|
Термодиффузия |
Тепловое общее |
||
|
|
Покрытия |
Тепловое |
||
|
|
Упрочнение поверхностного слоя |
Термическое локальное |
||
|
|
Гальваномеханическое восстановление металлических деталей |
Гальванопокрытие |
Химическое |
Восстановление изношенных токопроводящих деталей без их –нагрева и последующей обработки по патенту 2224827 |
|
|
Механическое |
Механическое силовое циклическое |
||
|
|
Нанесение контрастных знаков на покрытия |
ЭХО |
Химическое |
Маркирование сплавов с покрытием (например, кадмием) в активных рабочих средах (например, в солях молибдена) |
|
|
Магнитное |
Магнитное постоянное |
1 |
2 |
3 |
4 |
5 |
6 |
|
|
Электроимпульсный разрядный |
Высоковольтный электрический разряд |
Тепловое |
Очистка поверхности труб. литых деталей от окалины и загрязнений |
|
|
Ударная волна в жидкости |
МСИ |
||
|
|
Газообразование под загрязнением |
Химическое |
||
|
|
Электромагнитное |
Магнитное |
||
III |
С переменной полярностью |
Магнитноабразивный |
МИВ |
МСИ низкой интенсивности |
Чистовая обработка и доводка контактных пар токопроводящим абразивом |
|
Электромагнитное |
Магнитное |
|||
|
|
Электроабразивный |
ЭКО |
Тепловое циклическое |
Шлифование труднообрабатываемых пластичных материалов с периодической очисткой токопроводящего абразивного инструмента |
|
|
МИВ |
МСИ |
||
|
|
ЭХО |
Химическое |
||
|
|
Термомеханический |
Механическое резание |
МС или МСИ |
Удаление припуска с металлических заготовок с нагревом поверхностного слоя |
|
|
ЭКО или плазма |
Тепловое |
||
|
|
Электроконтактнохимический |
ЭХО при низком напряжении |
Химическое |
Восстановление профиля контактных пар при износе обеих деталей |
1 |
2 |
3 |
4 |
5 |
6 |
|
|
|
МПВ |
МС малой интенсивности |
|
IV |
Анодный или катодный |
Электроядерный |
ЭКО (ЭХО) |
Тепловое (химическое) |
Разделение материалов. Получение покрытий. Формообразование при ЭХО. |
|
Ядерное облучение |
Радиация |
6.3. Оптимизация выбора структурных составляющих комбинированного процесса