Технология конструкционных материалов и материаловедение - 2004.. Коротких М. Т. Технология конструкционных материалов и
 Скачать 1.62 Mb.
|
|
Классификация методов Электроразрядные Электрохимические Ультразвуковые Лучевые (Электроэрозионные, (Лазерные, электроконтактные, электронно-лучевые, абразиво-эрозионные) плазменные) 9.1 Электроэрозионная обработка Электроэрозионные методы основаны на явлении электрической эрозии - разрушения электропроводящих материалов в результате теплового действия импульсных электрических разрядов между электродом-инструментом и электродом- заготовкой. При приближении электрода - инструмента к заготовке и достаточно высокой разности потенциалов между ними происходит электрический (искровой) разряд, температура в канале которого достигает 10000°С. Микрообъемы материала заготовки и инструмента в зоне разряда плавятся и частично испаряются (рис.9.1). Роль межэлектродной жидкости для протекания процесса чрезвычайно важна. За счет ее нагрева в канале искрового разряда создаются ударные волны, воздействующие на поверхность электродов в зоне расплава и выбрасывающие капли металла в окружающую жидкость. Выброшенный расплавленный металл с поверхности электродов не может привариться к противоположному электроду, так как застывает в жидкости в виде мельчайших гранул. Таким образом, при данном процессе обрабатываются оба электрода - заготовка и инструмент. Естественно, электрод-инструмент следует изготавливать из материала, хорошо сопротивляющегося эрозионному разрушению. К таким материалам относятся электропроводные материалы с высокой температурой плавления и теплопроводностью (графит, вольфрам, медь ...). Так как в месте разряда на электродах образуются кратеры, то следующий разряд произойдет в другом месте, там, где расстояние между электродами меньше. При протекании процесса автоматически поддерживается определенный зазор между электродами и профиль инструмента (если считать, что он не изнашивается) копируется в профиле заготовки в виде некоторой эквидистантной поверхности. При проведении процесса специальная следящая система движения электрода-инструмента обеспечивает отсутствие его механического контакта с заготовкой, поддерживая среднюю величину зазора близкой к величине, при которой происходит электрический (искровой) пробой промежутка. Так как величина напряжения между электродами обычно невелика (200-300В), то и величина зазора достаточно мала (5-300мкм), что позволяет с большой точностью копировать профиль инструмента. Рис.9.1 Технологические возможности метода 1.Обрабатываемый материал. На ход процесса совершенно не влияет твердость материала заготовки, что позволяет обрабатывать твердые и сверхтвердые электропроводные материалы (т.е. практически любые металлы). 2.Размеры, форма поверхностей. Размеры обрабатываемых поверхностей принципиально не ограничены. Технологические задачи, решаемые таким методом обработки, обусловили выпуск оборудования, позволяющего обрабатывать заготовки с максимальными габаритами менее 1м. Форма обрабатываемой поверхности может быть сколь угодно сложной и зависит от профиля электрода инструмента при реализации процессов копирования (рис.9.1а,в) или задаваться программой перемещения электрода при реализации схемы профильной вырезки электродом-проволокой (рис.9.1б). 3.Точность и шероховатость поверхностей. Отсутствие значительных силовых нагрузок на заготовку и инструмент в процессе обработки позволяет получать точность до 4-5 квалитетов. Шероховатость поверхности зависит от размеров кратеров, образующихся при каждом элементарном разряде. Уменьшая мощность разрядов можно достичь шероховатости до Ra 0,1. Уменьшение мощности разрядов приводит к падению производительности обработки. Поэтому процесс часто проводят в два этапа: на черновых режимах удаляют основную массу припуска, а затем на пониженных режимах достигают заданной шероховатости поверхности. НЕДОСТАТКОМ процессов электроэрозионной обработки являются значительные энергозатраты, на порядок и более превышающие энергозатраты при обработке резанием. Поэтому процесс следует применять только в тех случаях, когда обработка резанием невозможна. Типичные области применения процесса: -производство штампов и прессформ для изготовления изделий сложной формы , например, турбинных лопаток, -обработка штампов из металлокерамических и других твердых материалов, обработка резанием которых невозможна, -обработка сложнопрофильных матриц для реализации процесса прессования. 9.2 Химическая и электрохимическая обработка материалов Химическая обработка (рис.9.2) основана на растворении определённых областей обрабатываемого изделия в активных растворителях. Большинство металлов растворяется в кислотах, но есть металлы (например, алюминий) хорошо растворяющиеся в щелочах. Ограничение областей растворения осуществляется за счет покрытия защищаемых зон каким либо веществом, не реагирующим с растворителем. Художественная обработка металлов таким способом известна со средних веков, когда в качестве растворителей использовали соляную кислоту, а в качестве защитного покрытия пчелиный воск. В настоящее время процесс широко применяется в промышленности для получения проводников и контактных площадок на печатных платах, применяемых для монтажа радиоэлектронной аппаратуры. Недостатком процесса является необратимый расход электролита, значительные расходы на его регенерацию. Электрохимическая обработка обладает значительно большими технологическими возможностями и позволяет производить полирование Изделий (рис.9.2), их размерную профильную обработку(рис.9.2,б), механическую обработку ряда труднообрабатываемых материалов (рис.9.2,а). Рис.9.2 Процесс основан на анодном растворении при прохождении электрического тока через электролитический раствор. Более интенсивное растворение анода происходит в тех областях, где плотность электрического тока выше. Более высокая плотность тока образуется там, где электроды расположены ближе друг к другу. Поэтому, по истечении определенного периода после начала процесса, профиль анода (заготовки) становится эквидистантен профилю катода (инструмента) (б). При работе такого оборудования специальная следящая система поддерживает определенный средний зазор между электродами , перемещая катод - инструмент по мере растворения анода-заготовки. Таким способом можно обрабатывать сложные по форме поверхности: лопатки турбин, лопасти гребных винтов, поверхности штампов и прессформ. Отличительной особенностью процесса является независимость его протекания от механических свойств материала заготовки. НЕДОСТАТКОМ же процесса является значительный (на 2-3 порядка) больший расход энергии, чем при механической обработке, что связано с разрушением обрабатываемого материала до молекулярного уровня. Естественно, что способ позволяет обрабатывать только электропроводные материалы (металлы), не образующие прочных диэлектрических пленок на поверхности при анодном электролитическом процессе. 9.3 Ультразвуковая обработка материалов Основана на использовании энергии ультрозвуковых колебаний частотой 22-44кГц. Для возбуждения интенсивных ультрозвуковых колебаний применяют магнитострикционные и пьезокерамические преобразователи. При прохождении ультрозвука в жидкости содержащей мелкие частицы абразива (суспензия) возникают также колебания этих частиц с максимальной скоростью V = 4* A* f, где А - амплитуда колебаний, f- частота колебаний. Частицы производят микроудары по поверхности заготовки, выкалывая микрочастицы с ее поверхности. Так как таких ударов много, то образующиеся микрократеры сливаются и образуется единая обработанная поверхность. Рис.9.3 Интенсивность колебаний частиц абразива велика только в непосредственной близости от индентора-инструмента и обработка происходит, в основном, в зазоре между ним и заготовкой. Поэтому профиль колеблющегося индентора копируется (с некоторым небольшим зазором) на заготовке, позволяя обрабатывать поверхности сложной формы. Обработка таким способом пластичных материалов либо невозможна, либо чрезвычайно неэффективна. Это связано с тем, что при ударе частиц абразива о поверхность не происходит хрупкого выкола, а только смятие материала, без его удаления. Поэтому инденторы - инструменты, для уменьшения их износа, целесообразно выполнять из пластичных материалов (стали). Частицы абразива должны находиться в жидкой среде, так как только она способна передавать на них колебательные движения индентора. В качестве такой жидкости применяют воду, минеральные масла и т.д. Таким методом можно обрабатывать хрупкие электропроводные и диэлектрические материалы любой твердости , применяя абразивный порошок ещё большей твердости. Можно обработать даже заготовки из самого твердого из известных веществ - алмаза. Суспензия при этом также будет содержать алмазный порошок и обработка возможна только из-за различной случайной ориентации частиц абразива в процессе обработки. Так как твердость кристаллических веществ различна по разным кристаллографическим направлениям, то поворачиваясь в процессе обработки (случайно) своими более твердыми, чем заготовка, вершинами частицы производят выколы поверхности алмаза. Метод применяется для обработки деталей из стекла, ситаллов, керамики, различных кристаллов, ферритов и др. 9.4 Лучевые методы размерной обработки Такие методы основаны на удалении обрабатываемого материала испарением и плавлением под действием лучевых потоков или высокоэнергетических струй с плотностью энергии 107 - 109 Вт/см2 При электронно-лучевой обработке, сфокусированный поток электронов испаряет вещество заготовки образуя кратер (отверстие) соответствующее пятну фокусировки. Так как пучок электронов можно сфокусировать в пятно размером до 0,01мм, этим методом можно обрабатывать отверстия малого диаметра или производить чрезвычайно тонкие резы на материалах любой твердости, независимо от их электропроводности. Процесс может быть реализован только в условиях достаточно глубокого вакуума (< 10-5 мм рт.ст.). Поэтому наиболее перспективно его применение в космических условиях, хотя и в земных условиях он достаточно широко применяется, для чего используются вакуумные камеры различных размеров (вплоть до 10м в диаметре). Оборудование для реализации метода обычно работает в многоимпульсном режиме с частотой следования импульсов 10 -1000Гц и длительностью импульсов 15-100мкс. При этом диаметр электронного пучка в фокальной плоскости составляет 10 - 50мкм, а плотность энергии 107-108 Вт/см 2 Рис.9.4 При лазерной обработке используются как импульсные лазеры, так и лазеры с непрерывным потоком излучения. Для обработки отверстий чаще используют импульсные лазеры, постепенно испаряя слой за слоем материал заготовки. Лазером можно производить резку самых различных материалов, перемещая луч относительно заготовки по любому, сколь угодно сложному контуру. В настоящее время таким способом производят резку металлов толщиной до 10 мм, различных пластиков, тканей, кожи и т.д. Метод также позволяет обрабатывать заготовки любой твердости. Так, с помощью лазерной обработки, получают алмазные волоки для производства проволоки, камни рубиновых подшипников (для часов). Недостатком лазерной обработки является чрезвычайно низкий КПД современных лазеров (1-2%) и наличие на поверхности реза термически изменённого слоя, что иногда недопустимо или может затруднять последующую обработку. Некоторые сравнительные характеристики электрофизических методов обработки. Таблица 9.1 ┌───────────┬──────────┬─────────┬─────────┬───────────────────────┐ │ Способ │Механизм │Плотность│Рабочая │Виды обрабатываемых │ │ обработки │процесса │энергии │среда │материалов, │ │ │удаления │ │ │достижимая точность, │ │ │материала │Вт/см2 │ │шероховатость │ ├───────────┼──────────┼─────────┼─────────┼───────────────────────┤ │Электро- │Тепловое │10 4 -10 8 │Диэлек- │Электропроводные, │ │эрозионный │расплавле-│ │тричес- │независимо от механи- │ │ │ние и ис- │ │кая │ческих свойств, │ │ │парение │ │жидкость │точность 4-9квалитеты, │ │ │материала,│ │ │Ra0,16 и более │ │ │выброс │ │ │ │ │ │расплава в│ │ │ │ │ │жидкость │ │ │ │ │ │ │ │ │ │ │Электро- │Растворе- │10 2 -10 3 │Электро- │Электропроводные, │ │химический │ние анода-│ │лит │независимо от мех. │ │ │заготовки │ │ │свойств, │ │ │при прохо-│ │ │точность 9-14квалитеты,│ │ │ждении эл.│ │ │Ra1,25 и более │ │ │тока через│ │ │ │ │ │раствор │ │ │ │ │ │электро- │ │ │ │ │ │лита │ │ │ │ │ │ │ │ │ │ │ │ │ │ │ │ │Ультрозву- │Механичес-│10 3 -10 4 │Абразив- │Твердые и хрупкие │ │ковой │кое разру-│ │ная сус- │металлы и неметаллы, │ │ │шение под │ │пензия │точность 6-9квалитеты, │ │ │действием │ │ │Ra0,08 и более │ │ │ударов │ │ │ │ │ │частиц │ │ │ │ │ │абразива │ │ │ │ │ │ │ │ │ │ │ │ │ │ │ │ │ │ │ │ │ │ │ │ │ │ │ │ │Электронно-│Испарение │10 6 -10 8 │Вакуум │Электропроводные, │ │лучевой │и расплав-│ │ │независимо от мех. │ │ │ление │ │ │свойств, │ │ │ │ │ │точность 6-12квал. │ │ │ │ │ │ │ │ │ │ │ │ │ │ │ │ │ │ │ │ │ │ │Воздух, │Любые материалы │ │Лазерный │--- - --- │10 6 -10 8 │кислород,│ │ │ │ │ │инертные │ │ │ │ │ │газы │ │ └───────────┴──────────┴─────────┴─────────┴───────────────────────┘ Вопросы для самопроверки: 1.В каких случаях рационально производить обработку электро -физическими методами? 2. Какие материалы целесообразно обрабатывать электроэрозионным способом? 3.Какова роль жидкости при электроэрозионной обработке? 4.Какие жидкости используются при химической обработке? 5.Какой процесс обеспечивает удаление материала при электрохимической обработке? 6.Почему при электрохимической обработке заготовка принимает форму близкую к форме электрода-инструмента? 7.Какие материалы целесообразно обрабатывать ультразвуковым способом? 8.Какие виды поверхностей получают при электронно-лучевой обработке? 9.Какие материалы можно обрабатывать электронно-лучевым методом? 10.За счет каких процессов происходит удаление материала при лазерной обработке? Образец карты тестового контроля: 1 Какой метод целесообразно использовать при обработке отверстий в стеклянных заготовках: а). Химический б). Ультразвуковой в). Лазерный 2. Какие группы материалов возможно обработать электроэрозионным методом: а). Стекло, кварц, корунд б). Закаленная таль, металлокерамический твердый сплав в). Дерево, пластмасса 3. При каком методе обработке плотность потока энергии. Воздействующая на обрабатываемую поверхность заготовки, выше: а). При лазерной б). При электроэрозионной в). При электрохимической 4. При применении какого метода обработки в структуру затрат входят: затраты на электроэнергию, стоимость специальной жидкости, стоимость абразивного порошка…: а). Электроэрозионного б). Электрохимического в). Ультразвукового 5. Какой из электрофизических методов обеспечивает наименьшую шероховатость поверхности: а). Лазерный б). Электрохимический в). Электроэрозионный ЛИТЕРАТУРА. Основная: 1.Дриц М.Е.,Москалев М.А. Технология конструкционных материалов и материаловедение.М.:Высшая школа,1989. 2.Технология конструкционных материалов. Под ред. Дальского А.М. М.: Машиностроение, 1985 - 448с. Дополнительная 5.Петруха П.Г. и др. Технология обработки конструкционных мате- риалов. 1991г. |