Материаловедение. Учебник для студентов высших учебных заведений Арзамасов В. Б., Волчков А. Н
 Скачать 4.56 Mb.
|
|
ГЛАВА 17. ЭЛЕКТРОФИЗИЧЕСКИЕ И ЭЛЕКТРОХИМИЧЕСКИЕ МЕТОДЫ ОБРАБОТКИ ПОВЕРХНОСТЕЙ ЗАГОТОВКИ Электрофизические (ЭФ) и электрохимические (ЭХ) методы используются для формообразования поверхностей заготовок из труднообрабатываемых материалов (весьма вязких, твердых и очень твердых, керамических, металлокерамических). ЭФ и ЭХ методы позволяют обрабатывать сложные фасонные внешние и внутренние поверхности; обрабатывать отверстия малых диаметров и т.д. При ЭФ и ЭХ механические нагрузки на обрабатываемую поверхность настолько малы, что практически не влияют на точность обработки. Эти методы, в ряде случаев, дают незначительный дефектный слой, не образуют наклепа обработанной поверхности, устраняют прижоги после шлифования, повышают эксплуатационные характеристики поверхностного слоя (износостойкость, коррозионную стойкость, прочность). Простота кинематических цепей станков для ЭФ и ЭХ позволяет обеспечивать точное регулирование процессов формообразования и автоматизацию обработки. Все ЭФ и ЭХ методы условно можно разделить на: электроэрозионную обработку (электроискровая, электроимпульсная, электроконтактная); электрохимическую (электрохимическая, анодно-механическая); химическую (химическая, химико-механическая); импульсно-механическую (ультразвуковая, электрогидравлическая); лучевую (светолучевая, электронно-лучевая); плазменную и взрывную. 17.1. Электроэрозионная обработка Электроэрозионная обработка основана на разрушении (эрозии) электродов при пропускании между ними импульсов электрического тока. Электрический разряд между электродами происходит в газовой среде или при заполнении межэлектродного промежутка диэлектрической жидкостью (керосин, минеральное масло). Эрозия электродов в жидкой среде происходит значительно интенсивнее. При замыкании электрической цепи 485 ионизируется межэлектродное пространство. При достижении пороговой разности потенциалов образуется канал проводимости, по которому проходит искровой или дуговой разряд. За время 10 -5 …10 -8 с плотность тока возрастает до 8…10 кА/ мм 2 . В результате, температура на поверхности заготовки – электрода возрастает до 10000…12000 о С. При таких температурах мгновенно оплавляется и испаряется элементарный объем материала заготовки. Следующий импульс тока пробивает межэлектродный промежуток там, где расстояние между электродами окажется минимальным. Эрозия металла происходит до тех пор, пока расстояние между электродами не окажется больше критического (0,01…0,05мм). При сближении электродов, процесс эрозии повторяется. Кроме теплового воздействия, на заготовку действуют электростатические, электродинамические силы и кавитационные явления. Электроискровая обработка (ЭО) основана на использовании импульсного искрового разряда между анодом (заготовкой) и катодом (инструментом). Принципиальная схема установки ЭО показана на рис. 17.1. Рис. 17.1. Схема электроискровой обработки: 1 – R-C генератор; 2 – подача электролита; 3 - инструмент – электрод; 4 – диэлектрическая жидкость; 5 – слив электролита; 6– заготовка; 7– изолятор. В ванне с диэлектрической жидкостью 4 размещены: подставка – изолятор 7 и заготовка 6. Между заготовкой и инструментом 3 пропускается 486 импульсный ток с амплитудой 100…200 в. импульс продолжительностью 20…200 мкс генерируется RC генератором 1. В зависимости от энергии импульса, различают обработку на: особо мягких, мягких, средних и жестких режимах. Мягкие режимы позволяют вести обработку с размерной точностью до 2 мкм и шероховатостью обработанной поверхности до R z 0,32 мкм. Обработка на средних и жестких режимах позволяет получать: фасонные открытые полости (полость штампа); цилиндрические отверстия с радиусной осью; прошивать сквозные отверстия любой поперечной формы диаметром 1-50 мм; разрезать заготовку и т.д. обработка на особо мягких режимах, позволяет: шлифовать внутреннюю поверхность особо точных отверстий малого диаметра (фильер) и окончательно отделывать заготовку. ЭО применяется для изготовления: штампов; пресс-форм; фильер; режущего инструмента; деталей топливной аппаратуры двигателей; сеток; сит; для повышения износостойкости, жаростойкости и коррозионной стойкости поверхности деталей машин; стойкости режущего инструмента; создания шероховатости под последующее гальваническое покрытие; легирования поверхностных слоев; увеличения размеров изношенных деталей. Сущность процесса заключена в образовании мелкодисперсной закалочной структуры и в легировании поверхностных слоев материала анода при искровом разряде в воздушной среде. Электроискровому упрочнению подвергают кулачки, фиксаторы, направляющие, прижимы, толкатели, стержни выпускных клапанов, клинья, пазы, шлицы, отверстия. Электроискровое упрочнение требует предварительной подготовки заготовок: удаление загрязнений, заусенцев и пятен коррозии; обеспечение шероховатости обрабатываемой поверхности не более R z 80. Электроимпульсная обработка основана на повышенной эрозии анода при подаче импульсов малой и средней продолжительности. При импульсах большой продолжительности (дуговой разряд) значительно быстрее разрушается катод. 487 Униполярные импульсы создаются электромашинным 7 ( рис. 17.2) или электронным генератором. Продолжительность импульса составляет 500…10000 мкс. Заготовку 5 размещают на изоляторе 6 в ванне с диэлектрической жидкостью 3. При данной обработке инструмент 2 изнашивается значительно медленнее, чем при электроискровой. Значительная мощность импульса обеспечивает высокую производительность, но малую точность обработки. Поэтому метод целесообразно применять для черновой обработки обширных полостей, фасонных наружных поверхностей и отверстий. Рис. 17.2. Схема электроимпульсной обработки: 1 – подача электролита; 2 – инструмент; 3 - диэлектрическая жидкость; 4 - слив электролита; 5 - заготовка; 6 – изолятор; 7 – электромашинный генератор. Высокочастотная электроискровая обработка основана на использовании высокочастотных (100…150 кГц) импульсов при малых энергиях разряда. Производительность метода в 30…50 раз выше по сравнению с электроискровой обработкой, при одновременном повышении точностных параметров обработанной поверхности. Схема установки показана на рис. 17.3. Заготовка 7 и инструмент 8 установлены в ванне с диэлектрической жидкостью 2. Постоянное напряжение от выпрямителя 5 разрывается прерывателем тока 4 и подается на первичную обмотку импульсного трансформатора 3. Включение заготовки и инструмента во вторичную цепь трансформатора позволяет избежать возникновение дугового разряда. Рис. 17.3. Схема высокочастотной электроимпульсной обработки: 488 1 - подача электролита; 2 - диэлектрическая жидкость; 3 – трансформатор; 4 – прерыватель тока; 5 – выпрямитель; 6 - слив электролита; 7 - заготовка; 8 – инструмент. Электроконтактная обработка основана на локальном нагреве заготовки 1 ( рис. 17.4) в месте ее контакта с инструментом – электродом 2 и удалении размягченного или расплавленного материала из зоны обработки механическим путем. Источником образования теплоты в зоне обработки является импульсный дуговой разряд. Питание электрической цепи производится трансформатором 3 через контактор. Электроконтактную обработку применяют при сверлении, точении, разрезании заготовок. Рис. 17.4. Схема электроконтактной обработки: 1 - заготовка; 2 – инструмент; 3 – трансформатор. 489 17.2. Электрохимическая обработка (рис. 17.5) Рис. 17.5. Схемы электрохимической обработки: а – полирование; б – размерная обработка: 1 – ванна; 2 – электролит; 3 – заготовка; 4 – подача электролита; 5 – катод; 6 - слив электролита; 7 – продукты растворения; 8 – микронеровности; 9 – отверстие. Электрохимическая обработка основана на анодном растворении выступов и впадин микронеровностей при электролизе. При прохождении постоянного электрического тока через электролит 2 (рис. 17.5, а), на поверхности анода – заготовки 3 происходят химические реакции, и поверхностные слои металла превращаются в химические соединения. Продукты электролиза переходят в раствор или удаляются механическим способом. При электрохимическом полировании ( рис. 17.5, а) заготовку помещают в ванну 1 с электролитом. В зависимости от обрабатываемого материала, электролитом служат растворы кислот или щелочей. Заготовку подключают к аноду. Катодом 5 служит пластина из свинца, меди или стали. При замыкании электрической цепи начинается растворение материала анода. 490 Растворение идет по выступам микронеровностей 8 (наибольшая плотность тока – на вершинах выступов). Продукты растворения 7 (окислы или соли, имеющие пониженную проводимость) заполняют впадины и препятствуют растворению металла. Избирательная скорость растворения по выступам и впадинам сглаживает микронеровности. Обработанная поверхность получает металлический блеск. Электрохимическое полирование уменьшает глубину микротрещин, не деформирует заготовку, исключает термические изменения структуры. Способ позволяет обрабатывать нежесткие заготовки одновременно по всей поверхности. Наибольшее применение способ получил для финишной обработки режущих инструментов. Особенностью электрохимической размерной обработки ( рис. 17.5, б) является электролиз в струе электролита прокачиваемого под давлением через межэлектродный промежуток, образуемый заготовкой – анодом 3 и инструментом – катодом 5. Одновременно, струя электролита удаляет продукты электролиза из рабочей зоны. Способ позволяет одновременно обрабатывать всю поверхность заготовки, находящуюся под воздействием катода (необрабатываемые участки поверхности изолируются). Способ позволяет обрабатывать нежесткие заготовки, сложно – фасонные заготовки; фасонные полости или фасонные глухие (сквозные) отверстия в труднообрабатываемых материалах. При обработке полостей или отверстий электролит подается по сквозному или глухому центральному каналу катода через отверстия 9. Особенность электроабразивной обработки состоит в том, что катодом является абразивный инструмент 2 ( рис. 17.6, а) выполненный на электропроводящей связке (например, бакелитовая с графитным наполнителем). Между заготовкой – анодом 1 и инструментом имеется межэлектродный зазор за счет абразивных зерен 3, выступающих из связки. В этот зазор подается электролит 4. До 90% припуска 5 удаляется за счет анодного растворения, 10…20% припуска удаляется механической 491 обработкой. При использовании алмазного абразивного инструмента (электроалмазная обработка) анодным растворением удаляется до 75% припуска. Способ применяется для отделочной обработки нежестких заготовок и заготовок из труднообрабатываемых материалов. Рис. 17.6. Схемы электроабразивной обработки: а – шлифование; б – хонингование: 1 – заготовка; 2 – инструмент; 3 - абразивные зерна; 4 – электролит; 5 – припуск; 6 – хонинговальная головка; 7 – ванна; 8 – токосъемное кольцо; 9 – стол; 10 – изолятор. При электрохонинговании ( рис. 17.6, б) заготовку 1 устанавливают на токосъемное кольцо 8 и изолятор 10 и помещают в ванну 7 с электролитом. Ванну устанавливают на стол 9 хонинговального станка. Кинематика процесса аналогична кинематике обычного хонингования. Однако хонинговальная головка 6 оснащена не абразивными брусками, а брусками из липы, ольхи или пластмассы. Предварительное хонингование ведут в растворе электролита NaNO 3 с добавлением абразивного порошка зернистостью не более М28. Окончательное хонингование ведут в том же электролите, но добавкой окиси хрома. Способ обеспечивает более низкую шероховатость поверхности – R a 0.04…0,16 мкм (зеркальный блеск) и повышение производительности обработки в 4-5 раз. Анодно-механическая обработка (АМО) основана на комбинированном механическом, электроэрозионном и электрохимическом воздействии на материал заготовки ( рис. 17.7). 492 Рис. 17.7. Схемы анодно-механической обработки: а – разрезание; б – точение; в – обработка плоскости: 1 – заготовка; 2 - сопло для подачи электролита; 3 – инструмент. Заготовку – анод 1 и режущий инструмент – катод 3 включают в общую электрическую цепь постоянного тока. В зазор между ними подают электролит 3 (обычно, жидкое стекло – водный раствор силиката натрия). Вследствие анодного растворения на заготовке образуется защитная пленка, которая разрушается режущим инструментом. При снятии пленки между выступающими частями электродов происходят электрические разряды, что приводит к электрической эрозии. Применение комбинации из трех процессов позволяет за счет регулирования энергии отдельных составляющих проводить обработку в широких пределах. При черновой обработке операцию выполняют при больших плотностях тока. Основное значение имеет тепловое электроэрозионное воздействие, приводящее к интенсивному снятию материала заготовки в результате плавления и взрывообразного испарения металла в среде электролита. Анодное растворение необходимо только для образования защитной пленки, обеспечивающей концентрацию дуговых разрядов на вершинах микронеровностей. Механическое воздействие обеспечивает вынос продуктов разрушения из зоны обработки. Чистовую обработку осуществляют при малых плотностях тока. Основное значение имеет механизм анодного растворения и механического разрушения пленки. Эти процессы текут по вершинам микронеровностей, что позволяет существенно уменьшить шероховатость поверхности и повысить точность обработки. 493 АМО подвергаются все токопроводящие материалы, высокопрочные и труднообрабатываемые сплавы; твердые сплавы; вязкие материалы. АМО позволяет разрезать заготовки, прорезать пазы и щели, точить заготовки, обрабатывать плоские поверхности, полировать поверхности, затачивать режущий инструмент. 17.3. Импульсно-механическая обработка Ультразвуковая обработка (УЗО) основана на явлении магнитострикции, т.е. способности сердечника из ферромагнитных материалов изменять свои поперечное сечение и длину под воздействием переменного магнитного поля. Этим эффектом обладают: никель, железокобальтовые и железоалюминиевые сплавы, феррит. Принципиальная схема УЗО показана на рис. 17.8, а. Заготовку 2 помещают в ванну 3 заполненную абразивной суспензией 1. К заготовке подводят инструмент – пуансон 4, закрепленный на торце концентратора 11. Концентратор закреплен в магнитострикционном сердечнике 6, установленном в кожухе 5. Через кожух пропускают охлаждающую жидкость. Колебания сердечника возбуждаются с помощью генератора ультразвуковой частоты 8 (частота 16…30 кГц; амплитуда колебаний 5…10 мкм) и источника постоянного тока 9. Абразивную суспензию прокачивают насосом 12 через систему: ванна – резервуар 13. Концентратор 11 увеличивает амплитуда колебаний до 40…60 мкм. Колебательные движения инструмента передаются абразивным зернам суспензии. В результате соударений об обрабатываемую поверхность, абразивные зерна скалывают микро частички материала заготовки. Большое число соударений (до 30000 в секунду) и кавитация обуславливают интенсивное разрушение поверхностного слоя заготовки. УЗО применяется для обработки ( рис. 17.8, б): сквозных и глухих отверстий различного поперечного сечения; фасонных полостей; разрезания заготовок и т.п. При помощи УЗО обрабатывают хрупкие твердые материалы: стекло, 494 керамику, твердые сплавы, кремний, кварц, алмазы; цементированные, азотированные и закаленные стали. Рис. 17.8. Схемы ультразвуковой обработки: а – схема установки; б – примеры обработки: 1 – суспензия; 2 – заготовка; 3 – ванна; 4 – пуансон; 5 – кожух; 6 – сердечник; 7 – подача охлаждающей жидкости; 8 - генератор; 9 – источник постоянного тока; 10 – слив охлаждающей жидкости; 11 – концентратор; 12 – насос; 13 – резервуар. 17.4. Лучевая обработка Лазерная обработка относится к светолучевым методам упрочнения или снятия поверхностных слоев заготовки. Метод основан на воздействии светового луча высококонцентрированной энергии на поверхность заготовки. Источником светового излучения является оптический квантовый генератор (ОКГ) – лазер. Лазерную обработку применяют для прошивания сквозных и глухих отверстий, разрезания заготовок, фасонной резки листового металла, прорезания пазов, термической обработки поверхности заготовки. Лазерная закалка применяется в тех случаях, когда закалка другими способами затруднительна. Поверхностное упрочнение лазером характеризуется следующими особенностями: Упрочнение локальных по глубине и площади участков. Локальное упрочнение полостей недоступных обычным методам закалки. Отсутствие коробления заготовки. Получение, при необходимости, заданной микрошероховатости обработанной поверхности. Возможность легирования поверхностного слоя. Простота 495 автоматизации процесса. Упрочнению подвергаются углеродистые, малоуглеродистые, легированные и высоколегированные стали: У8А; У10А; 45; ХВГ; 9ХС; Х12; ШХ15; Р18; Р6М5К5Ф3 … Лазерная закалка основана на местном нагреве поверхности до температур лежащих в зоне «фазовые превращения - плавление» и высокоскоростном охлаждении поверхности за счет отвода тепла к сердцевине заготовки. В результате образуется мелкозернистый мартенсит т остаточный аустенит. Глубина упрочнения – до 0,2 мм. Средняя производительность упрочнения: в атмосфере аргона – до 500 мм 2 /мин (закалка в атмосфере аргона предохраняет зону обработки от обезуглероживания); на воздухе – до 800 мм 2 / мин. Глубина упрочненного слоя Z: , a Z где: а – коэффициент температуропроводности; - длительность импульса лазерного воздействия. Ответственные детали, работающие в условиях повышенных давлений с малой площадью контакта (клапаны, седла клапанов, распределители) изготавливаются из высокохромистых аустенитных сталей (1Х17Н2, Х18Н10Т) с наплавкой стеллита. Структура стеллита представляет собой твердый раствор на основе кобальта на фоне эвтектики. Его химический состав: углерод – 1,6…2,3%; кремний – 1,5…2,5%; хром – 26…32%; кобальт – 59…65%; вольфрам – 4…5%; остальное – железо. Различие в коэффициентах линейного расширения исключат обычные виды термообработки. Локальность нагрева поверхности заготовки лазером позволяет упрочнять стеллит. Упрочненная зона образуется последовательными пятнами фокусированного лазерного облучения с перекрытием 0,75 диаметра пятна, шириной 0,6 мм. Оптимальные режимы упрочнения стеллита: напряжение накачки 980в; энергия импульса 8Дж; длительность импульса 4 мс; количество импульсов в фокальном пятне 1…8; фокусное расстояние оптической системы 37мм; диметр зоны проплавления 0.4…0,6мм. Лазерное упрочнение приводит к повышению твердости HRC 49…50. 496 17.5. Плазменная обработка Сущность (ПЛО) заключается в том, что плазму (направленные поток ионизированных частиц газа, имеющих температуру до 20000 о С) направляют на обрабатываемую поверхность. Потоком плазмы можно разрезать и сваривать различные сплавы, наплавлять на заготовку различные покрытия. Высокая температура и скорость плазменной струи обеспечивают получение тепловой энергии высокой концентрации. Поэтому, ПЛО обеспечивает высокую производительность резания при относительно высокой шероховатости обработанной поверхности. Для обработки заготовок применяются головки как с выделенной, так и с совпадающей дугой. Горелки с выделенной дугой более удобны для металлорежущих станков, но эффективность их меньше. ПЛО применяется для обработки любых материалов: прошивки отверстий; разрезания заготовок; раскроя листового материала; совмещенного с резанием точения, строгания, шлифования (плазменно-механическая обработка). Наиболее часто ПЛО применяется для разрезания листового материала. Горелки с выделенной дугой используют для разрезания тонколистовых металлов и неэлектропроводных материалов. Горелки с совпадающей дугой применяют для разрезания толстолистовых металлов (листы из алюминиевых сплавов – толщиной до 125 мм; стальные листы – до 100 мм). Плазменно-механическая обработка (ПМО) заключается в использовании плазменной дуги для создания очага высокой концентрации тепла, локализованного в зоне резания непосредственно перед режущей кромкой. Высокая эффективность ПМО достигается при строгом согласовании воздействия плазменной струи и режущего инструмента. Эти воздействия осуществляются последовательно с задержкой по времени в несколько долей секунды. Плазменная струя воздействует на обрабатываемую поверхность, при этом режимы дуги и резания подбирают таким образом, чтобы глубина зоны интенсивного нагрева соответствовала толщине срезаемого слоя, а 497 температура материала, формирующего поверхностный слой заготовки, оставалась существенно ниже температуры начала структурных превращений. Плазменную горелку (плазматрон) располагают таким образом, чтобы анодное пятно контакта дуги постоянно находилось в центральной точке нагрева. При ПМО получается сливная стружка кинжальной формы. Эта стружка опасна для станочника, и поднимаясь вверх, может замкнуть сопло плазмотрона. Поэтому у режущего инструмента необходимо предусматривать стружколомные канавки Выделяемы при ПМО вредные пары требуют снабжения каждой установки системы местной вентиляции. ПМО применяется для резания труднообрабатываемых материалов: высокохромистых сталей; никелевых и кобальтовых сплавов; жаропрочных сталей; заклеенных сталей. Контрольные вопросы 1. На каких физико-химических процессах основаны электроэрозионная и электрохимическая обработки заготовок? 2. В чем особенность электроабразивной обработки? 3. Как работает установка для УЗО? 4. В каких случаях используется ПЛО? |