Курс лекций ЭФиЭХМО. Курс лекций эфиэхмо. Лекция Основные понятия. Классификация эф и эх методов
 Скачать 2.54 Mb.
|
|
1 Курс лекций ЭФиЭХМО. Лекция 1. Основные понятия. Классификация ЭФ и ЭХ методов. В настоящее время на нашей планете ежегодно производится примерно 24 000 млрд кВт∙ч электроэнергии. И, тем не менее, во всех странах ведется упорная борьба за дальнейшее увеличение этого количества. В электрическую энергию перерабатывается громадное количество горючих ископаемых, энергия ветра, воды, лучистая энергия солнца и действие ряда химических процессов. Подобное увеличение производства электрической энергии не случайно. Оно вызвано тем, что из всех известных ныне видов энергии электрическая энергия является наиболее удобной в использовании благодаря следующим особенностям: 1. возможность передачи ее на большие расстояния с весьма малыми потерями, 2. простота способов подведения больших мощностей непосредственно к месту потребления энергии, 3. легкая делимость на небольшие количества, 4. возможность с помощью весьма простых устройств превращать электрическую энергию во все другие виды энергии делают этот вид энергии в наш век незаменимым. Более того, едва ли в ближайшее десятилетие это положение изменится, поскольку известно, что ядерные реакции в энергетике могут быть использованы только через электрическую энергию. Значительно сложнее решаются проблемы использования электрической энергии. Общеизвестно, что, начиная с прошлого столетия и по самое последнее время, подавляющая часть электрической энергии переформировалась в механическую. С ее помощью в движение приводятся бесчисленные станки и механизмы, транспорт, подъемные сооружения и многое другое. Нынешнее столетие во всех странах характеризуется интересными особенностями перераспределения удельного расхода электрической энергии между различными потребителями. Является характерным то, что, наряду с абсолютным увеличением расхода электрической энергии, удельный расход ее на трансформацию в механическое движение все время падает. Одновременно с этим резко возрастает абсолютный и относительный расход электрической энергии на осуществление технологических процессов. На рис.1 приведены данные по выработке электроэнергии по годам в России, Китае и США. Даны также прогнозы до 2030 года. 2 Стало очевидным, что дальнейшее приближение электрической энергии к месту обработки без изменения при этом самого существа процесса является невозможным. Поэтому логическим завершением описанного пути должно быть появление процесса принципиально нового качества, при котором съем металла с изделия осуществляется уже непосредственным освобождением самой электрической энергии. Появление и развитие электрофизических методов обработки материалов, использующих особые возможности электрической энергии, стало возможным только в современных условиях. Необходимая для этого теоретическая база и технические предпосылки создавались в течение двух веков работами многих ученых и инженеров. Это с одной стороны. С другой стороны, Новые методы начали интенсивно развиваться в связи с созданием современных отраслей промышленности — космической, атомной, электронной, стремительным ростом приборостроения, энергетического и химического машиностроения, инструментальной промышленности и др. Развитие этих отраслей промышленности способствовало со ; зданию новых высокопрочных материалов, которые трудно поддаются классическим методам обработки резанием. Это материалы с очень высокой твердостью (вольфрамо и титанокарбидные твердые сплавы, алмазы, магнитные сплавы, закаленные стали), хрупкостью (керамика, кварц, стекло, ферриты), вязкостью (нержавеющие и жаропрочные стали), а также материалы, обладающие магнитными свойствами. Особые трудности возникают при фасонной обработке таких материалов, когда в них необходимо получить пазы, узкие щели, полости и глухие отверстия сложной формы. В связи с созданием новых конструкций машин и приборов, тенденцией к миниатюризации в электронике и приборостроении, необходимо выполнять уникальные 3 технологические операции, невыполнимые или трудновыполнимые обычными методами обработки резанием. Решение многих проблем развития современного производства было найдено на пути создания, разработки и совершенствования электрофизических и электрохимических методов обработки материалов. В основе этих методов лежит использование различных физико-химических процессов энергетического воздействия на заготовку для формообразования детали при обработке. Электрофизические и электрохимические методы обработки, общее название методов обработки конструкционных материалов непосредственно электрическим током, электролизом и их сочетанием с механическим воздействием. В эти методы. включают также методы ультразвуковые, плазменные и ряд других методов. С разработкой и внедрением в производство этих методов сделан принципиально новый шаг в технологии обработки материалов — электрическая энергия из вспомогательного средства при механической обработке (осуществление движения заготовки, инструмента) стала рабочим агентом. Всё более широкое использование этих методов в промышленности обусловлено их высокой производительностью, возможностью выполнять технологические операции, недоступные механическим методам обработки. Э. и э. м. о. весьма разнообразны и условно их можно разделить на электрофизические (электроэрозионные, электромеханические, лучевые), электрохимические и комбинированные. Приоритет в развитии многих методов электрофизической и электрохимической обработки принадлежит советским, российским ученым. Изобретателями электроискровой обработки, положившей начало развитию других электроэрозионных методов, являются Б. Р. Лазаренко и Н. И. Лазаренко, анодно-механической обработки — В. Н. Гусев, электро- эрозионнохимической — И. И. Мороз, Р. Б. Исакова и др. Использование лазерной обработки стало возможным благодаря теоретическим разработкам советских ученых- физиков Н. Г. Басова и А. М. Прохорова. Ввиду существенных отличий, проблема классификации представляет собой трудную задачу. Предлагается следующая классификация. 1. Электрофизические методы. 1.1. Электроэрозионная обработка основана на вырывании частиц материала с поверхности импульсом электрического разряда. Если задано напряжение (расстояние) между электродами, погруженными в жидкий диэлектрик, то при их сближении 4 (увеличении напряжения) происходит пробой диэлектрика — возникает электрический разряд, в канале которого образуется плазма с высокой температурой. Электроискровая обработка была предложена советскими учёными H. И. и Б. Р. Лазаренко в 1943. Она 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. твердосплавных штампов проволочным электродом Электроимпульсная обработка основана на использовании импульсов дугового разряда . Предложена советским специалистом М. М. Писаревским в 1948. Этот метод стал внедряться в промышленность в начале 1950-х гг. В отличие от искрового, дуговой разряд имеет температуру плазмы ниже (4000—5000°С), что позволяет увеличивать длительность импульсов, уменьшать промежутки между ними и т. о. 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 (в этом случае он подключается к аноду) ниже, чем при электроискровой обработке, составляя 0,05—0,3% от объёма снятого материала (иногда инструмент вообще не изнашивается). Более экономичный электроимпульсный метод используется в основном для черновой обработки и для трёхкоординатной обработки фасонных поверхностей. Оба метода (электроискровой и электроимпульсный) дополняют друг друга. Электроэрозионные методы особенно эффективны при обработке твёрдых материалов и сложных фасонных изделий. 1.2. 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, например, диском, служащим для удаления материала из зоны обработки, и изделием (рис. 6). Применяется для обдирки литья, резки и других видов обработки, аналогичных по кинематике движений почти всем видам механической обработки. Преимущества метода — высокая производительность (до 10 6 мм 3 /мин)на грубых режимах, простота инструмента, работа при относительно небольших напряжениях, низкие удельные давления инструмента — 30—50 кн/м 2 (0,3— 0,5 кгс/см 2 ) и, как следствие, возможность использования для обработки твёрдых материалов инструмента, изготовленного из относительно мягких материалов. Недостатки — большая шероховатость обработанной поверхности, тепловые воздействия на металл при жёстких режимах. Магнитоимпульсная обработка применяется для пластического деформирования металлов и сплавов (обжатие и раздача труб, формовка трубчатых и листовых заготовок, 5 калибровка и т. п.) и основана на непосредственном преобразовании энергии меняющегося с большой скоростью магнитного поля, возбуждаемого, например, при разряде батареи мощных конденсаторов на индуктор, в механическую работу при взаимодействии с проводником (заготовкой) (рис. 7). Преимущества метода — отсутствие движущихся и трущихся частей в установках, высокая надёжность и производительность, лёгкость управления и компактность, наличие лишь одного инструмента — матрицы или пуансона (роль другого выполняет поле) и др.: 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 (рис. 8). При этом необходимо вакуумирование полости между заготовкой и матрицей, поскольку из-за огромных скоростей движения заготовки к матрице воздух не успевает уйти из полости и препятствует плотному прилеганию заготовки к матрице. Метод прост, надёжен, но обладает небольшим кпд, требует высоких электрических напряжений и не всегда даёт воспроизводимые результаты. 1.3. Лучевая обработка. К лучевым методам обработки относится обработка материалов электронным пучком и световыми лучами (см. Лазерная технология ). Электроннолучевая обработка осуществляется потоком электронов высоких энергий (до 100 кэв). Таким путём можно обрабатывать все известные материалы (современная электронная оптика позволяет концентрировать электронный пучок на весьма малой площади, создавать в зоне обработки огромные плотности мощности). Электроннолучевые станки могут выполнять резание (в т. ч. прошивание отверстий) и сварку с большой точностью (до 50 А). Основой электроннолучевого станка является электронная пушка . Станки имеют также устройства контроля режима обработки, перемещения заготовки, вакуумное оборудование. Из-за относительно высокой стоимости, малой производительности, технической сложности станки используются в основном для выполнения прецизионных работ в микроэлектронике, изготовления фильер с отверстиями малых (до 5 мкм)диаметров, работ с особо чистыми материалами. К электрофизическим методам обработки относится также плазменная обработка . 2. Электрохимические методы обработки Основаны на законах электрохимии .По используемым принципам эти методы разделяют на анодные и катодные (см. Электролиз ), по технологическим возможностям — на поверхностные и размерные. Поверхностная электрохимическая обработка. Практическое использование электрохимических методов началось с 30-х гг. 19 в. . Первый патент на электролитическое полирование был выдан в 1910 Е. И. Шпитальскому . 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. 6 Размерная электрохимическая обработка. К этим методам обработки относят анодно-гидравлическую и анодно-механическую обработку . 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/см 2 ) требуют мощных источников тока, больших расходов электролита (иногда до 1 / 3 площади цехов занимают баки для электролита). 3. Комбинированные методы. 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. Все перечисленные методы обработки характеризуются следующими общими достоинствами: 1) можно обрабатывать материалы с любыми физико-химическими свойствами при практической независимости режимов обработки от свойств материала; 2) выполнять обработку, невыполнимую или трудновыполнимую обычными механическими методами; 3) нет силового воздействия на заготовку при обработке, а при некоторых методах нет механического контакта между инструментом и заготовкой; 4) можно использовать инструмент менее твердый и прочный, чем обрабатываемый материал; 5) имеют высокую производительность обработки при сравнительно высокой точности получения размеров; 6) можно легко автоматизировать и механизировать процессы обработки; 7) ЭФ и ЭХ МО охватывают практически все операции, встречающиеся в машиностроении; 8) существенное сокращение потерь обрабатываемого материала. Наряду с преимуществами, наблюдаются и недостатки, в настоящее время ограничивающие более широкое распространение перечисленных технологий. 1. Повышенная энергоемкость по сравнению с обработкой резанием деталей простых форм из обычных конструкционных материалов при тех же производительности и качестве поверхности. 7 2. Необходимость применения специального оборудования для выполнения отдельных операций. 3. Отсутствие дешевого универсального оборудования для ЭФ и ЭХ МО. 4. Необходимость сбора и утилизации специфических отходов. Лекция 2. Электроэрозионная обработка (ЭЭО). Электрической эрозией токопроволящих материалов называют разрушение поверхности деталей под действием электрических разрядов. Электрическая эрозия, например, разрушает контакты переключающих устройств электрического тока при их замыкании и размыкании. Изучая пути уменьшения разрушающего действия электрической эрозий, советские ученые Б.Р.Лазаренко и Н.И.Лазаренко в 1943 годy предложили применить этот процесс с полезной целью - для размерной обработки деталей. При электроэрозионной обработке (рис. 2.1) электрод-заготовку (ЭЗ) и электрод- инструмент (ЭИ) помещают в ванну с диэлектрической жидкостью (керосином, индустриальным маслом),и на них подается импульсное напряжение (U - 20 - 200 В) от генератора импульсов. Рис. 2.1 – Схема электроэрозионной обработки. При перемещении ЭИ и достижении размера межзлектродного зазора на торце ЭИ 0,01 – 0,15 мм происходит электрический пробой слоя диэлектрической жидкости с образованием канала разряда. В канале разряда выделяется большое количество тепла, под действием которого противоположные участки электродов расплавляются и испаряются, образуя небольшие углубления - лунки в форме сферического сегмента. Продукты эрозии выбрасываются из зоны разряда в окружающую среду, застывают в виде шарикови уносятся рабочей жидкостью. При подаче на электроды следующего импульса напряжения разряд и лунки образуются на соседнем участке и т.д. Такими микродозами снимается материал электрода- заготовки, и при перемещении ЭИ образуется требуемая конфигурация элемента детали, например, отверстие. |