Курс лекций ЭФиЭХМО. Курс лекций эфиэхмо. Лекция Основные понятия. Классификация эф и эх методов
 Скачать 2.54 Mb.
|
|
Качество поверхности. Шероховатость поверхности, обработанной анодно-гидравлическим способом, определяется в основном природой анода, химсоставом и температурой электролита, формой, плотностью и напряжением тока. При обработке хромистых и углеродистых сталей наименьшая шероховатость (Rmax=6.3…2мкм) достигается на деталях со структурой тростита и сорбита. Так, например, для стали 40 эта структура обеспечивается закалкой и среднетемпературным отпуском. Та же сталь, отожженная при высокой температуре, после АГО имеет высоту микронеровностей Rmax = 20мкм. В общем случае чем мельче и равномернее мозаика структуры сплава, тем ниже шероховатость поверхности. Шероховатость многокомпонентных сплавов особенно сильно зависит от химсостава электролита. Ионы электролита часто обладают различной химической активностью по отношению к разным компонентам. Поэтому при правильном подборе электролита обработка может сопровождаться преимущественным растворением одного из компонентов сплава и в связи с этим образованием высоких микронеровностей. Шероховатость поверхности деталей из Х18Н9Т и других многокомпонентных сплавов также существенно зависит от величины рН и температуры электролита. С повышением температуры повышается химическая активность ионов, возрастает неоднородность электролита в зазоре, увеличиваются токи рассеивания, снижается плотность тока. Все это приводит к ухудшению шероховатости с 6,3 до 20…40мкм. Однако в некоторых случаях увеличение температуры электролита сопровождается снижением шероховатости. Так при обработке сплавов титана в электролитах на основе NaCl шероховатость обработанных поверхностей снижается при увеличении температуры электролита до35…45°С. Наибольшую высоту микронеровностей иногда удается снизить в 1,5…2 раза применением импульсного тока. Объясняется это действием двух механизмов. Во-первых, плотность тока в импульсе выше, чем при постоянном токе, что часто приводит к повышению выравнивающей способности процесса. Во-вторых, при прохождении полуволны обратного тока на детали выделяются пузырьки водорода, вспарывающие пассивную пленку. Переменный ток перемешивает электролит, ускоряет подвод активных ионов к поверхности детали. Это также увеличивает плотность прямого тока и снижает шероховатость обработанной поверхности. Опыт показывает, что подбором оптимального состава электролита и режимов АГО можно достичь весьма малых величин микронеровностей (Rz= 0,18…0,2 мкм). Качество поверхности, обработанной анодно-гидравлическим способом, определяется также состоянием поверхностного слоя. 26 Изменения в поверхностном слое определяются главным образом двумя механизмами: химическими реакциями на поверхности анода и напряжениями, оставшимися после удаления припуска. Поверхностный слой заготовок из конструкционных сталей после штамповки и механической обработки часто имеет повышенную (по сравнению с глубинными слоями) микротвердость и микронапряжения. Свойства поверхностного слоя после АГО характеризуется исходными микронапряжениями и микротвердостью этого же слоя до обработки. Поэтому, если при АГО снимается закаленный слой с полезным наклепом, после АГО необходимо предусмотреть соответствующие операции упрочнения. Область применения. Преимущества. Процессы анодно-гидравлической обработки (АГО) применяют при прошивке ручьев штампов, пресс-форм и литформ, обработке сложнофасонных профилей лопаток газовых турбин, прошивке винтовых пазов в стволах пушек, калибровке шлицевых отверстий (устранение деформации после термообработки), прошивке зубчатых поверхностей тел вращения, разрезания заготовок. Кинематика формообразования (взаимного перемещения инструмента и детали) аналогична кинематическим схемам долбления, точения, растачивания, фрезерования дисковыми фрезами. К процессам АГО относятся также процессы электрохимического удаления заусенцев, притупления и заострения кромок, утончения стенок деталей, разрезания тонкостенных труб, полирования. Эти операции идут при неподвижных электродах (катоде и аноде). Наибольший экономический эффект достигается при АГО деталей крупносерийного и массового производства (лопатки и турбинные колеса реактивных двигателей) из жаропрочных и коррозионностойких труднообрабатываемых сталей и сплавов, а также сложнофассонных полостей в серийных штампах. Во многих случаях также экономически эффективны операции электрохимического удаления заусенцев. Основной статьей экономической эффективности является снижение трудозатрат при замене строгальных, фрезерных, слесарных операциях анодно-гидравлической обработкой. В других случаях основная экономия получается за счет повышения качества изделий, обработанных электрохимическим способом. Так, например, только с появлением анодно-гидравлической обработки оказалось возможным калить шлицевые поверхности в подвижных шестернях коробок передач: (ранее не существовало производственных методов калибровки термообработанных внутренних шлицев). Введение закалки шлицев в несколько раз повысило долговечность шлицевых соединений. Основные преимущества анодно-гидравлической обработки заключаются в следующем: 1. Полное отсутствие износа инструмента. 2. Отсутствие заусенцев на обработанной поверхности детали. 3. Выходные технологические показатели практически не зависят от твердости и прочности обрабатываемых материалов. 4. В отличие от электроэрозионной обработки отсутствует термическое влияние на структуру поверхностного слоя обработанной детали. 5. Принципиальное отсутствие механического контакта инструмента с заготовкой позволяет с высокой производительностью обрабатывать нежесткие и ажурные детали. 27 6. Возможность снижения шероховатости обрабатываемой поверхности при одновременном повышении производительности. Такого преимущества нет ни у одного из известных механических и электрофизических методов обработки. При финишной обработке деталей с требуемой шероховатостью поверхности Ra < 0,4 мкм метод ЭХО обеспечивает в 10..100 раз большую производительность, чем электроэрозионная обработка, при хороших показателях по точности. 7. В отличие от механических методов обработки (фрезерование, шлифование) электрод-инструменты изготавливаются из легкообрабатываемых металлов и могут иметь твердость и прочность значительно ниже чем у материала детали. 8. Обработка осуществляется на низких (менее 12 В) напряжениях с использованием электролитов (водных растворов нейтральных минеральных солей малой концентрации), что позволяет повысить электробезопасность труда операторов и исключить возможность возникновения пожара в зоне обработки. Особенности электрохимикомеханической обработки. Общим названием «электрохимикомеханические» способы обработки токопроводящих материалов объединяется ряд процессов размерной обработки, основанных на принципе электрохимического (анодного растворения металла) и механического воздействия (либо их сочетания с электроэрозионным воздействием). От процессов анодно-гидравлической обработки эти способы отличаются тем, что продукты реакции удаляются с обрабатываемой поверхности механическим путем. Такое разделение операции съема металла и удаления продуктов анодного растворения чисто условно, так как доля съема металла механическим способом может многократно превышать съем от электромеханического растворения. Во всех этих методах абразив в свободном или связанном состоянии участвует в процессе удаления пассивирующей пленки. Поэтому целесообразно электромеханическую обработку классифицировать в соответствии с теми условиями, в которых находится абразив при обработке материала. Обработка может быть: а) абразивонесущим инструментом; б) с абразивонесущим электролитом; в) нейтральным инструментом. Электрохимикомеханическую обработку можно применять для выполнения операций шлифования, полирования, хонингования деталей из труднообрабатываемых материалов, заточки металлорежущего инструмента и т. п. К электрохимикомеханическим способам относится алмазно-абразивная электрохимическая обработка (AЭХO) электроактивными (токопроводящими) и электронейтральными инструментами. Наиболее распространенными способами АЭХО являются электроалмазное и электроабразивное шлифование. Металл анода на этих операциях снимается токопроводящими алмазно-абразивными кругами в результате электрохимического растворения и абразивного шлифования. Соединение процессов резания и анодного растворения металла приводит к возникновению новых внутренних связей, определяющих физико-химические особенности и закономерности комбинированного съема. Электроалмазное шлифование. 28 Для осуществления процесса алмазно-абразивный круг на токопроводящей основе присоединяют к отрицательному полюсу источника постоянного тока, круг при этом становится катодом (рис. 3.3). Обрабатываемую деталь подключают к положительному полюсу — она становится анодом. Межэлектродный зазор между анодом и катодом обеспечивается абразивными (алмазными) диэлектрическими зернами. В зазор подается электролит, содержащий свободные ионы натрия, нитрата, гидроксила и др. Под воздействием электрического тока усиливается диссоциация молекул электролита и химическое взаимодействие свободных ионов с анодом. В результате на катоде выделяется водород, а на деталях образуется пленка окислов и гидратов окислов металла — анода. Рис. 3.3 Принципиальная схема АЭХО: 1 — обрабатываемая деталь — анод; 2 — токопроводящая связка круга — катод; 3 — источник постоянного тока; 4 — продукты электрохимического растворения и срезаемая стружка; 5 — абразивные (алмазные) зерна — диэлектрики; 6 — электролит. Пленка, образующаяся на поверхности детали, пассивирует электрод и тормозит процесс дальнейшего растворения анода. Однако абразивные зерна катода, вращающегося с большой скоростью, разрушают эту пленку, и процесс анодного растворения обрабатываемой детали продолжается. В процессе обработки токопроводящая связка шлифовального круга может касаться обрабатываемой поверхности детали. При этом в точке касания возникают контактно-дуговые (эрозионные) разряды, частично принимающие участие в разрушении соприкасающихся электродов. Таким образом, процесс анодного растворения в условиях АЭХО токопроводящим кругом интенсифицируется благодаря механической и эрозионной депассивации анодной поверхности. Степень депассивации возрастает с увеличением скорости подачи алмазного инструмента в процессе обработки. Электроалмазная обработка — высокопроизводительный процесс. Высокая интенсивность съема металла обусловлена высокими плотностями тока (до 100 А/см 2 ), которые возникают за счет малых зазоров между алмазоносным кругом и деталью (0,01— 0,03 мм). На скорость съема металла при электроалмазном шлифовании влияет концентрация алмаза в рабочем слое. Наибольшая скорость съема металла достигается при работе с алмазными кругами 100%-ной концентрации. Снижение концентрации алмазного 29 порошка до 25% приводит к уменьшению скорости съема металла в 1,5 раза и увеличению износа круга в 2 раза. Пористость круга и зернистость алмазного порошка не влияют на производительность метода. Чтобы электролит лучше протекал, в слое абразива делают канавки шириной 2—3 мм, глубиной до 1 мм. Наличие канавок в алмазоносном слое круга увеличивает плотность тока и обеспечивает более высокую скорость съема материала. Таблица 3.2 Показатель Шлифование Алмазное Электроалмазное Производительность, мм 3 /мин До 20 750—1000 Шероховатость поверхности 𝛁8-𝛁9 𝛁𝟏𝟎-𝛁𝟏𝟏 Точность обработки, мм 0,005—0,01 0,01 Удельный расход алмаза, мг/г 0,15—0,3 0,02—0,05 Алмазно-абразивная электрохимическая обработка электронейтральным инструментом Процесс электрохимического растворения может быть совмещен с процессом резания по схеме с электронейтральным алмазно-абразивным инструментом и отдельным электродом катодом, причем зоны механического и электрохимического съема металла разнесены во времени и пространстве (рис. 3.4). Наиболее часто эти схемы обработки применяются на операциях хонингования, суперфиниширования и доводки, где процессы механической обработки интенсифицируются электрохимическим растворением металла. Зона электрохимического растворения создается с помощью электрода-инструмента (рис. 3.4), подключенного к отрицательному полюсу источника постоянного тока I. Положительный полюс источника соединяется с обрабатываемой деталью 2. Рабочая поверхность электрода-инструмента 4 выполнена эквидистантой к поверхности детали 1 и удалена от нее на некоторый зазор. Через цилиндрические щелевые каналы в электроде-инструменте в зазор подается электролит под давлением 0,5…1 кг/см 2 . Абразивный инструмент токонепроводящий на керамической или органической связке. По кинематическим признакам описанные схемы не имеют отличий от схем механической алмазно-абразивной обработки, что позволяет легко модернизировать под способы АЭХО универсальные станки. 30 Рис. 3.4. Принципиальная схема АЭХО с электронейтральным алмазно-абразивным инструментом: а) круглое наружное шлифование; б) суперфиниширование; в) хонингование; г) доводочные операции. 31 Лекция 4. Ультразвуковая обработка. Магнитная обработка. Физическая сущность всех разновидностей ультразвуковой обработки (УЗО) основана на использовании ультразвуковых колебаний материальных сред, совершаемая с частотами выше порога слышимости (> 16кГц). Получение ультразвуковых колебаний основано на явлении магнитострикции, при котором происходит удлинение или укорочение некоторых материалов под действием внешнего магнитного поля. Магнитострикцией обладают все ферромагнитные материалы, но наилучшими из них являются никель, сплав кобальта с железом (пермендюр) и сплав алюминия с железом (альфер). На рис. 4.1 показана зависимость относительной деформации в куске магнитострикционного материала от напряженности магнитного поля «Н». Знак магнитострикции не зависит от направления магнитного поля, поэтому кривая симметрична оси ординат. При больших магнитных полях наступает насыщение, при котором изменение магнитного поля не влияет на величину деформации. Максимальная относительная деформация (при насыщении) для магнитострикционных материалов может достигать 10 −4 мм/мм. Рисунок 4.1 Если стержень из магнитострикционного материала поместить в переменное магнитное поле, то в стержне возникнут механические колебания. Переменное магнитное поле можно создать, пропуская по обмотке электрический ток. При этом напряженность магнитного поля пропорциональна числу ампервитков. Если создать переменное магнитное поле с амплитудой Н m (кривая 1, рис. 4.1), то максимальная деформация будет наблюдаться при t=T/4 и t=3T/4. Видно, что деформация одного знака, и равна ε 1 . Можно значительно увеличить амплитуду колебаний, если создать одновременно два магнитных поля — постоянное напряженностью Н 0 и переменное с той же амплитудой Н m . Суммарное магнитное поле 32 описывается кривой 2 на рис. 4.1. Тогда в моменты времени t=0, t=T/2 и t=T величина деформаций равна ε 0 ; при t=3T/4 имеем ε 0 + ε 2 , а при t=3T/4 ε 0 - ε 2 На рис. 4.2 показаны 2-е кривые колебаний стержня из магнитострикционного материала: — кривая 1, получаемая при создании только переменного магнитного поля; — кривая 2, получаемая при одновременном действии двух магнитных полей — постоянного и переменного; Рисунок 4.2 Сравнение этих кривых показывает, что при действии двух магнитных полей амплитуда колебаний вышеуказанного стержня возрастает в несколько раз. В ультразвуковой технике для превращения электрических колебаний в механические колебания используют так называемый магнитострикционный преобразователь. Преобразователь представляет собой устройство, состоящее из пакета пластин магнитострикционного материала с двумя электромагнитными обмотками, и служит для превращения электрической энергии ультразвуковой частоты в упругие механические колебания той же частоты (см. рис. 4.3, а). По одной обмотке пропускается переменным током, частота которого равна частоте возбуждаемого ультразвука, по второй пропускается постоянный ток. Суммарный магнитный поток, создаваемый обмоткой, является униполярным, гармоническим и обуславливает характер деформации пакета, как показано штриховой линией на рис. 4.3, а. Передача ультразвуковых колебаний в металлических стержнях и пакетах подчиняется синусоидальному закону и осуществляется со строго определенной скоростью, свойственной данному материалу или среды. Скорость распространения звуковых волн «С» связана с длиной волны «λ» и частотой ультразвуковых колебаний «f» следующей зависимостью: С = λf Таким образом, при передаче ультразвуковых волн в колебательной системе будут иметь место участки с нулевой деформацией и участки с максимальной деформацией. При этом участки с нулевой деформацией используют для крепления элементов системы, а участки с максимальной деформацией служат рабочими или передающими элементами ультразвуковой колебательной системы. Для увеличения амплитуды деформаций обеспечивают равенство между собственной частотой продольных колебаний пакета 33 преобразователя и частотой возбуждающего магнитного поля. Характер распределения амплитуд колебательной системы по ее длине показан на рис. 4.3, б. Рисунок 4.3 Передача ультразвука от преобразователя осуществляется волноводами. Для передачи ультразвука объекту небольших размеров (например, инструменту ультразвукового станка) используются волноводы в виде ряда последовательно соединенных стержней (рис. 4.3, б). Каждый стержень волновода представляет собой резонансное звено, его длина равна половине длины волны. Если такой стержень конусообразный, то амплитуда колебаний его тонкого конца будет больше амплитуды колебаний конца с большим диаметром. Поскольку такие стержни увеличивают амплитуду колебаний. Их называют концентраторами. Магнитострикционный пакет (рис. 4.3, б), присоединенные к нему концентраторы 2, 3 и инструмент для обработки 4 составляют единую континуальную колебательную систему. Такая колебательная система крепится к корпусу 5 обычно при помощи диафрагмы 6 в том месте, где амплитуда колебаний в стоячей волне равна нулю, чтобы колебания не передавались на корпус. Излучение ультразвука в жидкость осуществляется обычно волноводом, имеющим форму пластины (рис. 4.3, в). Продольные колебания закрепленного на пластине 7 магнитострикционного преобразователя 8 или группы преобразователей возбуждают стоячую волну изгибных деформаций в пластине, которая в жидкости, в свою очередь возбуждает продольную волну. |