3.3. Электроискровая обработка
Электроискровую обработку предложили Б.Р. и Н.И. Лазаренко в 1952 г.
3.3.1. Сущность, содержание и область применения способа
При электроискровой обработке металлических поверхностей ис- пользуют энергию импульсных искровых разрядов между электродами в газовой или жидкой среде. Сущность нанесения покрытий и упрочнения поверхностей состоит в том (рис. 3.7), что искровой разряд разрушает ма- териал инструмента (катода), а продукты его эрозии переносятся в газовой среде на заготовку (анод).
В зависимости от технологического назначения процесса длитель- ность, мощность и пауза между разрядами изменяются в широких преде- лах и регламентируются генератором импульсов.
Преобразование постоянного тока в импульсный происходит сле- дующим образом. Электрический заряд от источника питания накапливает- ся в конденсаторе. По мере зарядки напряжение на конденсаторе повыша- ется до величины, достаточной для пробоя межэлектродного промежутка
А. Накопленная конденсатором энергия выделяется виде импульсного раз- ряда между электродом и деталью. Во время электрического разряда кон- денсатора напряжение становится ниже необходимого для поддержания промежутка в состоянии проводимости, и разряд прекращается. Эти явле-
130
ния протекают до тех пор, пока в результате эрозии электродов расстояние между ними не увеличится настолько, что напряжение источника тока ока- жется недостаточным для пробоя. При сближении электродов процесс сно- ва возобновляется. Скорость зарядки конденсатора должна быть меньше скорости восстановления электрической проводимости межэлектродного промежутка, что достигается подбором значения сопротивления 2.
Рис. 3.7. Схемы установок для электроискровой обработки:
а) – бесконтактной конденсаторной;
б) – бесконденсаторной контактной;
в) – бесконденсаторной бескон- тактной; I и II – конец и начало разряда; 1 – заготовка; 2 – инструмент; 3 – конденса- торная батарея; 4 – источник постоянного тока; 5 – переменное сопротивление
Для непрерывности процесса образования электрического разряда не- обходимо сохранять постоянство расстояния между электродами. С этой целью в электрическую схему генератора импульсов вводится электродви- гатель постоянного тока 4 с независимым возбуждением. Обмотка возбуж- дения 3 генератора присоединяется непосредственно к зажимам источника питания постоянного тока через сопротивление и потенциометр 8. Обмотка якоря электродвигателя 4 соединена с ползунком сопротивления 2 и пол- зунком потенциометра. Электрод 5 получает поступательное перемещение от электродвигателя-регулятора посредством зубчатых колес 7 и 9 и пере- дачи винт – гайка. Расстояние между электродами регулируется в зависимо- сти от напряжения на них. При отсутствии электрического разряда, т.е. при большом расстоянии между электродами, направление тока будет таким, что якорь электродвигателя 4 начнет вращаться в направлении, обеспечи- вающем сближение электрода 5 с деталью 6. При соприкосновении элек- тродов направление тока в обмотке якоря изменится, вследствие чего изме-
нится и направление вращения якоря, а электрод 5 начнет подниматься.
131
Электрический ток при работе электроискрового станка непрерывно меня- ется как по величине, так и по направлению; якорь электродвигателя под- держивает некоторую среднюю величину межэлектродного расстояния.
Регулятор настраивается на работу при различной величине пробивного напряжения, которое задается положением движка на потенциометре 8.
На скорость разрушения катода влияют теплофизические свойства его материала и режимы обработки. При постоянном режиме обработки электрод расходуется равномерно.
Импульсы разряда длятся до 10 мкс. Значение плотности тока в сре- де переноса электродного материала достигает 10 4
А/мм
2
. Температура среды в канале разряда составляет 5000…11000 о
С, тепло вызывает плав- ление фрагментов электрода и их частичное испарение. Пары металла расширяются и сбрасывают с поверхности катода расплавленный металл, который попадает в газовую среду, осаждается на аноде и затвердевает.
Нанесенный материал диффундирует в металл восстанавливаемого эле- мента детали и за счет быстрой кристаллизации жидкой фазы и локальной закалки образуются твердые растворы и мелкодисперсные карбиды. При определенных режимах обработки сверхскоростная закалка обеспечивает покрытию высокую твердость.
Перенос металла на поверхность заготовки формирует покрытие хи- мического состава, близкого к составу материала электрода. Покрытие имеет прочную связь с основой, потому что его образование сопровожда- ется диффузионными процессами при высокой температуре.
Покрытие состоит из трех слоев. Первый слой (ближний к заготовке) –
это термодиффузионная зона покрытия и основного металла. Перенесен- ный материал катода легирует материал заготовки и, соединяясь с атомар- ным азотом воздуха и углеродом материала заготовки, образует диффузи- онный износостойкий слой. В слое образуются сложные химические со- единения, нитриды и карбонитриды. Второй нетравящийся (белый) слой представляет собой твердый раствор легирующих или карбидообразующих элементов, входящих в состав электродного материала. Слой обладает вы- соким сопротивлением схватыванию и коррозии. Третий наружный слой подобен газотермическому покрытию, он образован из фрагментов за- стывшего металла и оксидов. Структура его напоминает строение анти- фрикционного сплава – частицы мелкодисперсных карбидов включены в сравнительно мягкую основу.
Толщина покрытия увеличивается с ростом содержания углерода в материале заготовки и энергии единичного импульса и достигает макси-
132
мального значения
hmax при значении времени
tF. Чем ближе время обра- ботки
tоб ко времени насыщения
hF (рис. 3.8), тем хуже качество покрытия.
Растет шероховатость и уменьшается его сплошность, оно окисляется, ста- новится темным, а дефектность структуры достигает предельного значения. Обработку заканчивают в моменты времени, соответствующие участку
В–А графика.
Производительность процесса и качество обработанной поверхно- сти зависят как от соотношения эро- зионной стойкости материалов ин- струмента и заготовки, так и от ре- жима обработки.
Эрозионная стой-кость металла выражается его мас- сой, снимаемой в единицу времени или за определенное число циклов.
Более стойкие к эрозии элементы располагаются ближе к концу ряда: олово, свинец, цинк, алюминий, же- лезо, никель, серебро, медь, угле- род, вольфрам.
Нанесение твердых износо- стойких покрытий толщиной до 0,1 мм относят к упрочнению, а любых покрытий большей толщины – к на- плавке. При
восстановлении поверх- ностей, участвующих в трении, мож- но наносить покрытия толщиной до
0,25 мм, а на поверхности неподвиж- ных соединений – до 1,5 мм. Если требуется нанести покрытие большей толщины, то применяют катод из ма-
Рис. 3.8. Зависимость толщины электрода (1), толщины покрытия
h (2), роста толщины
dh/dt (3) и изменения сплошности покрытия
Спл (4) от времени обработки
tоб.Обозначения:
ОD – область линейных изменений характеристик покрытия;
С –
точка кривой толщины покрытия, определяющая нелинейные превращения;
АВ – область оптимальных значений характеристик покрытия;
F – область, определяемая временем насыщения
133
териала с меньшей эрозионной стойкостью или повышают значения режи- ма обработки.
Глубина зоны термического влияния в материале заготовки состав- ляет 0,8...1,0 мм. Предел выносливости детали практически не изменяется.
Шероховатость и сплошность покрытий регулируются. На черновых режимах обработки получают шероховатость поверхности 3…4 классов, а на чистовых – 5…6 классов.
Формирование микрогеометрии и несущей способности покрытий при электроискровой наплавке также имеет особенности. Исходная шеро- ховатость восстанавливаемой поверхности не должна превышать
Rz 10 мкм. Поверхность после электроискровой наплавки существенно отлича- ется от поверхностей, полученных другими способами. После снятия слу- чайно прилипших частиц расплавленного металла на поверхности остают- ся равномерно расположенные сферические впадины и выступы. Микро- рельеф имеет практически одинаковые характеристики по всем направле- ниям вдоль поверхности. Однако с увеличением толщины покрытий сред- няя высота
Rz, радиус закруглений и средний шаг неровностей растут.
При эксплуатации наплавленные поверхности показывают лучшие результаты по сравнению с исходными. Механическую обработку (поли- рование) наплавленного покрытия выполняют после его пластического по- верхностного деформирования. Для достижения оптимальной площади опорной поверхности целесообразно назначать как толщину слоя покры- тия, изменяющуюся при обкатывании или раскатывании (табл. 3.5), так и припуск на абразивную обработку в долях толщины покрытия.
Таблица 3.5
Доля толщины покрытия, участвующая в поверхностном пластическом деформировании при упрочнении и восстановлении деталей
Рабочие поверхности
Упрочненные
Восстановленные
Легконагруженные в неподвижных соединениях
0,05…0,10 0,1…0,2
Тяжелонагруженные в неподвижных соединениях
0,1…0,3 0,2…0,4
Легконагруженные при трении скольжения
0,2…0,4 0,2…0,5
Тяжелонагруженные при трении скольжения
0,4…0,6 0,3…0,7
Если обкатывание (раскатывание) роликами или шариками ведут при давлении 5…20 % от
предела текучести материала, то остаточные растяги- вающие напряжения, возникающие в результате наплавки и снижающие усталостную прочность на 10…30 %, практически снимаются. Опорная поверхность после пластического деформирования увеличивается, а обра- зовавшиеся каналы удерживают около 0,02 мм
3
масла на каждый 1 см
2
134
площади покрытия. Угол их раскрытия такой, что за счет поверхностного натяжения масло выступает над поверхностью трения.
В ремонтных чертежах деталей указывают параметры шероховато- сти R
max
, Rz или S
m
, радиус закругления вершин r, длину относительной опорной поверхности при различных уровнях профиля t
20%
, t
40%
и t
50%
, ба- зовую длину l
б
, а также шероховатость поверхности Ra между масляными каналами.
Процесс применяют для наращивания и упрочнения поверхности с износом до 0,2 мм при высоких требованиях к твердости и износостойко- сти восстановленной поверхности и невысокими требованиями к сплошно- сти покрытия.
С помощью электроискровой обработки восстанавливают изношен- ные детали и упрочняют режущие кромки инструментов (резцов, фрез, штампов и др.) нанесением твердых сплавов, а также изменяют свойства поверхностей деталей путем придания им антикоррозионных, жаростой- ких, фрикционных и антифрикционных качеств. Восстанавливают шейки валов и осей, поверхности отверстий под подшипники, упрочняют тру- щиеся поверхности вместо термообработки. Способ получил распростра- нение при изготовлении деталей топливной аппаратуры дизелей и золот- ников, изготовленных из стали 15Х и имеющих твердость 56...63 HRC.
Стойкость режущей части инструмента в результате упрочнения увеличи- вается до 2 раз. Износостойкость деталей после электроискрового упроч- нения повышается в 3...8 раз.
В ряде случаев после электроискровой обработки при изготовлении подшипниковых узлов и восстановлении их поверхностей последующая механическая обработка не требуется.
3.3.2. Материалы, режимы и оборудование
Для электроискрового упрочнения применяют материалы (электро- ды): металлокерамические твердые сплавы ВК6-ОМ, ВК-8, Т15К6,
ТТ15К10-ОМ, Т30К4, Т60К4, ТН-20 круглого и прямоугольного сечения; медную проволоку; бронзу Бр.АЖ10-3, Бр.АЖМц10-3-1,5, Бр.АЖН10-4-4,
ВБр.5М и др.; аналог рэлита ДКВ; алюминиево-оловянисто-медный сплав
АОМ; сплавы ВЖЛ-2, ВЖЛ-2М, ВЖЛ-13, ВЖЛ-17, В56, ЖСН-Л; стали
65Г, 20Х13, 95Х18, ШХ-15 и др. Применяют также сормайт, стеллит и вольфрам.
Для обеспечения требуемых эксплуатационных свойств восстанов- ленных поверхностей можно наносить покрытие в несколько слоев из раз-
135
личных материалов. Например, на стальную или чугунную
поверхность поршневого кольца наносят молибден, на него медь, а затем олово.
Покрытия, нанесенные из металлокерамики ВК6-ОМ или стали 65Г, обладают такими свойствами. Микротвердость диффузионной зоны равна
6940...7270 МПа (45...50 HRC). Микротвердость покрытия из ВК6-ОМ равна 7990...8840 МПа (68 HRC), а из стали 65Г – 6760...7590 МПа (57...59
HRC). Толщина первого слоя (у поверхности) составляет 3...10 мкм, второ- го (белого) – 40 мкм для ВК6-ОМ и 100 мкм для стали 65Г, третьего (на- ружного) – примерно 43 мкм.
Покрытия наносят конденсаторными установками с электромагнит- ными вибраторами, обеспечивающими периодический контакт с инстру- ментом заготовки. Напряжение в момент разряда конденсаторов достигает
100…150 В. Режимы нанесения покрытий приведены в табл. 3.6.
Таблица 3.6
Режимы электроискровой обработки
Режим
Сила тока, А
Сила тока короткого замыкания, А
Напряжение, В
0,5…0,7 2,5 15
Чистовой
0,8…1,2 3,0 25 1,2…1,5 3,5 45
Средний
1,6…2,0 4,5 75 2,0…2,5 4,8 140
Черновой
2,6…3,0 5,0 200
Наибольшее распространение получили установки моделей ЭФИ-
46А, -23М, -25М, -54А.
Имеется семь моделей модернизированных мобильных установок типа «Элитрон» и две модели установок «Вестрон», с помощью которых можно наносить покрытия толщиной до 0,4 мм (сплошностью 60…95 %) и толщиной 0,4…1,0 мм (сплошностью 25…60 %).
Электроискровое наращивание и легирование на модернизированной установке «Элитрон-22БМ» ведут в безвибрационном режиме. Проведена модернизация оборудования для электроискрового легирования «Элитрон-
22А», «Элитрон-22Б» и «Элитрон-52БМ» в соответствии с патентом Рос- сии № 2119552. Установка «Элитрон-52БМ» работает в механизированном режиме с комплектом устройств КМП-50М.
В установках «Вестрон-005» и «Вестрон-006» совмещены транзи- сторно-тиристорный и резисторно-емкостной генераторы, использованы новые вибровозбудители с вращающимися электродами и повышена час-
136
тота импульсов тока со 100 до 800 Гц. Установки «Вестрон» позволяют наносить покрытия толщиной до 300 мкм со сплошностью более 80 %.
Технологические перемещения инструмента выполняют как вруч- ную, так и с применением средств механизации. В обоих случаях переме- щение электрода, продолжительность обработки, режимы по току, ампли- туде и частоте вибрации электрода выбирают так, чтобы покрытие имело максимальную сплошность, равномерную толщину и ровную поверхность, отражающую свет.
Вопросы для самоконтроля
1. Изложите суть и приведите область применения электроискровой обработки.
2. Как устроено покрытие, нанесенное при электроискровой обработке заготовок?
3. Как изменяются свойства по толщине покрытия? 4. Какое применяют оборудование для нанесения покрытий?
Лабораторная работа № 1
ЭЛЕКТРОИСКРОВАЯ ОБРАБОТКА
Электроэрозионная обработка наиболее эффективна при изготовле- нии из труднообрабатываемых металлических материалов деталей слож- ной формы: штампов, прессформ, форсунок, прецизионных деталей. Раз- новидностями электроэрозионной размерной обработки являются элек- троискровая, электроимпульсная, анодно-механическая и электрокон- тактная.
Цель работы – изучить технологию электроискровой обработки мате- риалов.
Материалы и оборудование: станок прошивной электроэрозионный
4Г721М
, станок электроискровой отрезной 4534, образцы из быстрорежу- щей стали Р6М5, твердосплавные пластины ВК6, набор электродов- инструментов различного диаметра, штангенциркуль, секундомер.
Ход работы. После выбора образца определяется диаметр отверстия, которое необходимо получить в ходе работы. Подбирается соответствую- щий электрод-инструмент. Определяются технологические параметры электроискровой и механической частей оборудования по справочнику
(Шумов, Е.Г. Электроэрозионное шлифование: справочник / Е.Г. Шумов,
Е.А. Деев.
М.: Машиностроение, 1977. 60 с.).
Энергия импульса W (Дж) вычисляют по формуле
W = I
ср
U
ср
t, (3.9)
где I
ср
– среднее значение силы тока, А
I
ср
= (0,5…0,75)I
о
, (3.10)
137
Iо–
сила тока короткого замыкания, измеряемая прибором станка;
Uср–
среднее значение напряжения, В
Uср= (0,5…0,75)
Uо, (3.11)
Uо– напряжение холостого хода, измеряемое прибором станка;
t – время получения отверстия, с.
Данные занести в таблицу 3.7.
Таблица 3.7
Данные технологических параметров обработки материала
Материал детали
Сила тока,
А
Напряжение,
В
Частота вращения шпинделя, мин
–1
Время по- лучения отверстия, с
Материал электрода
Содержание отчета: цель работы, краткие теоретические сведения, оборудование и материалы, результаты исследований, выводы по работе.
3.4. Электронно-лучевая обработка3.4.1. Содержание способа и применяемое оборудованиеЭлектронно-лучевой нагрев металлов и сплавов применяют для плавления и соединения свариваемых металлов за счет кинетической энер- гии пучка электронов, движущихся под действием электрического поля в глубоком вакууме.
Работа
А, затраченная электрическим полем на перемещение элек- трона из одной точки поля в другую, равна
А=еU, эВ, (3.12)
где
U – разность потенциалов между точками, В;
е – заряд электрона,
1,6·10
–19
Кл.
Эта работа затрачивается на сообщение электрону кинетической энергии
W2 2
vmWe
, Дж, (3.13)
где
mе– масса электрона, 9,1·10
–21
кг;
v –
скорость электрона, м/с;
Приравнивая правые части уравнений 3.11 и 3.12, получаем скорость движения электрона
emeUv2
, м/с. (3.14)
138
Например, при U = 10 кВ скорость электрона составляет 60000 км/с.
В ряде случаев эта скорость достигает 0,05…0,70 от скорости света.
Установки бывают низковольтные (до 30 кВ), среднего напряжения
(40…60 кВ), высоковольтные (100…200 кВ) и с ускорителем электронов
(до 1500 кВ).
При указанных скоростях электронов, даже при небольшой их массе, кинетическая энергия частиц достаточна для нагрева обрабатываемого ме- талла до температуры плавления. Плотность энергии на поверхности заго- товки достигает 5·10 6
Вт/см
2
, а диаметр фокального пятна составляет
0,2…0,8 мм. Давление среды в камере – 0,13…1,3 Па. Пучки электронов могут быть непрерывными и импульсными.
Устройство для получения пучка электронов (электронная пушка) и сварки заготовок приведено на рис. 3.9. Катод 1 изготовлен из материала, обладающего большой эмиссионной способностью (обычно из вольфрама).
Катод нагревается электрической спиралью 2. Прикатодный электрод 3, к которому, как и к катоду, приложен отрицательный потенциал, предвари- тельно фокусирует поток электронов, вылетающих из катода под разными углами.
Рис. 3.9. Схема электронно-лучевой пушки: 1 – катод; 2 – электрический нагре- ватель катода; 3 – прикатодный электрод; 4 – ускоряющий электрод (анод); 5 – заготов- ка; 6 – электронный луч; 7 – фокусирующая система; 8 – отклоняющая система; 9 – ва- куумная камера
Ускоряющий электрод (анод) 4 имеет отверстие, через которое про- летают электроны, двигаясь к свариваемому изделию 5, также подключен- ному к положительному полюсу источника питания. Вследствие отталки- вания электронов друг от друга электронный луч 6 расширяется. Для его
139
сжатия служит фокусирующая система 7. Точное наведение электронного луча на свариваемый стык выполняет магнитная отклоняющая система 8.
Электронно-лучевую пушку и свариваемое изделие помещают в ка- меру 9, где создают вакуум, значение которого указано выше. Вакуум при сварке, во-первых, обеспечивает свободное движение электронов без столкновения с молекулами воздуха. Во-вторых, вакуум предотвращает дуговой разряд между катодом и анодом и выполняет химическую изоля- цию катода, который в воздухе интенсивно окисляется. В-третьих, вакуум играет роль защиты расплавленного металла от окружающей атмосферы.
Эта защита более эффективна, чем газовая или флюсовая. В-четвертых, в вакууме улучшается дегазация сварочной ванны,
облегчается удаление ок- сидных пленок, что улучшает качество сварного соединения.
В странах СНГ выпускают следующие электронные пушки: У-146,
У-530М, У-858, У-670 – до 120 кВ, У-777 – до 240 кВ, У-885, УЛ-108,
УЛ-119, УЛ-141, ЭП-25, ПЛ-100, ПЛ-101, ПЛ-102, ПЛ-104, ПЛ-105, ПЛ-107,
ПЛ-110, А.852.04, А.852.18, А.952.19, ЭЛУ-1, А.306.05, СП-30, работаю- щие при ускоряющем напряжении до 25…30 кВ и мощности луча до
15 кВт, ЭЛА 60/15, ЭЛА 60/60 (ИЭС им. Е.О. Патона); ЭП-60, ЭП-60А,
ЭП-60/2,5, ЭП-60/10М, ТЭП 60/60 (НИАТ), ПЭСК-60/15, ЦЭП-1, ЦЭП-5 –
до 60 кВ (НПО ЦНИИТМАШ). Номинальный ток этих пушек, как правило, составляет 0,2…1,0 А, рабочее расстояние от нижнего среза пушки до поверх- ности изделия находится в пределах 290…510 мм. Для плавления металла не- обходимы мощность до 500 кВт (ускоряющее напряжение 30…40 кВ, сила то- ка в луче до 20 А, удельная мощность в фокальном пятне до 10 5
Вт/см
2
).
Система питания электронных пушек представляет собой высоко- вольтный источник постоянного тока и блока управления.
Установки для сварки оснащаются форвакуумными насосами типа
ВН или АВЗ, высоковакуумными агрегатами типа ВА и АВН, сорбцион- ными и турбомолекулярными насосами и электродуговыми агрегатами.
Скачать 3.56 Mb.