Содержание
1. Сущность и особенности электроискровой обработки материалов
2. Технология ультразвуковой и анодно-механической обработкиматериалов
3. Сущность и особенности электроимпульсной обработки материалов
4. Обработка материалов лазером и электронным лучом
5. Сущность методов обработки деталей пластическим деформированием
1. Сущность и особенности электроискровой обработки материалов
Различные электроискровые методы обработки материалов известны науке и промышленности достаточно давно. Несомненными преимуществами подобных методов является относительная простота оборудования, высокая производительность, независимость производительности от твердости обрабатываемого материала и других его физических характеристик. Единственное ограничение применения только в необходимости, чтобы обрабатываемый материал был токопроводящим.
Одним из видов электроискровой обработки является электроэрозионное легирование. Принцип электроэрозионного легирования давно известен в промышленности и применяется, когда необходимо получить твердое, износостойкое покрытие поверхности, обладающее хорошей связью с материалом основы. Широко применяются в промышленности портативные установки с рабочей частью в виде карандаша для ручной обработки или специализированное оборудование (станок производства Японии для упрочнения вершин зубьев непрерывной стальной пилы).
Механизм процесса следующий:
При сближении электродов (анода v наносимого материала и катода v обрабатываемой поверхности) происходит увеличение напряженности электрического тока. При некотором расстоянии v напряженность становится достаточной для возникновения искрового разряда.
Через канал сквозной проводимости пучок электронов фокусировано ударяется о поверхность анода. Энергия остановленных электронов выделяется в поверхностных слоях анода. Поскольку в этот момент система броском освобождает накопленную энергию, плотности тока значительно превосходят критические значения. В результате от анода отделяется капля расплавленного металла и движется к катоду, опережая движущийся вслед с большой скоростью анод. Капля расплавленного металла в процессе отделения от катода нагревается до высокой температуры, закипает и взрывается.
Так как к этому моменту цепь тока прерывается, исчезают сжимающие усилия электромагнитного поля, частицы расплавленного металла летят широким факелом. Перегретая капля в процессе отделения, закипания и взрыва, увеличившего ее действующую поверхность, все время была в соприкосновении с газом в атомарном состоянии, следовательно, химический состав летящих к аноду частиц отличается от исходного состояния анода. Факел частиц, достигнув катода, прилипает и частично внедряется в его поверхность.
Вслед за частицами движется электрод, включенный в систему, успевшую вновь накопить энергию, так как источник ее питания продолжал действовать. Поэтому через раскаленные частицы, лежащие на катоде, проходит второй импульс тока, сопровождающийся механическим ударом массы электрода-анода. Второй импульс сваривает частицы между собой и прогревает поверхность катода, на котором они лежат. Происходит диффузия частиц в поверхность катода и химическая реакция между этими частицами и материалом катода. Механический удар проковывает покрытие, увеличивая его однородность и плотность. Затем анод движется вверх, а на катоде остается слой металла, прочно соединенный с его поверхностью.
Упоминания о данном методе встречаются в специальной литературе уже в первой половине нашего столетия. Основные его черты сохраняются и до нашего времени. Основные изменения коснулись лишь конструкции электрододержателя, модернизации источника питания, комбинирования электродов-инструментов для нанесения комбинированных покрытий. Также существует вариант нанесения покрытий при внесении в зону низковольтного электрического разряда наносимого материала в мелкодисперсном виде. Однако при данном методе частота следования разрядов остается зависимой от частоты механических колебаний анода.
Обобщенно, недостатками данного метода, принимаемого за прототип, являются:
– низкая скорость процесса, зависящая от частоты следования импульсов, т.е. от частоты механических колебаний вибратора с анодом;
– дискретный вид покрытия из-за особенностей процесса переноса металла с анода на поверхность катода;
– невозможность обработки труднодоступных мест;
– возможность нанесения покрытий только из электропроводных материалов.
Попытки расширить технологические возможности метода позволили предложить принципиально новый способ электроискрового легирования. Данный способ состоит в том, что наносимый материал в мелкодисперсном, взвешенном в газе состоянии, попадает в промежуток между катодом – обрабатываемым материалом и анодом, в котором с большой частотой (более 2000 Гц) возбуждаются высоковольтные разряды. Попадая в разряд, порошок расплавляется и осаждается на обрабатываемой поверхности.
Проведенный патентный поиск показал принципиальную новизну предложенного способа. Существенными преимуществами предложенного способа являются возможность нанесения неэлектропроводных покрытий, увеличение скорости процесса и повышение надежности оборудования из-за отсутствия механических колебаний в системе, значительное снижение неравномерности покрытия из-за высокой частоты следования импульсов, перекрытие следов нанесения покрытия, снижение себестоимости процесса из-за упрощения оборудования и возможности обработки труднодоступных мест.
2. Технология ультразвуковой и анодно-механической обработки материалов
Современная технология механической обработки конструкционных материалов достигла больших успехов, а выпускаемые промышленностью металлорежущие станки – высокой степени совершенства и высокой производительности, что позволяет с успехом решать различные задачи, выдвигаемые бурным процессом развития техники.
Однако развитие техники привело к появлению новых материалов, механическая обработка которых традиционными способами затруднена. К ним относятся, прежде всего, такие материалы с высокой твердостью, как вольфрамосодержащие и титанокарбидные сплавы, алмаз, рубин, лейкосапфир, закаленные стали, магнитные сплавы из редкоземельных элементов, термокорунд и др. Из традиционных способов при обработке таких материалов применяется только шлифование.
Обработка другой группы материалов, таких как германий, кремний, ферриты, керамика, стекло, кварц, полудрагоценные и поделочные минералы и материалы, затруднена их очень большой хрупкостью. Такие материалы не выдерживают усилий, возникающих при традиционной механической обработке. Поскольку именно перечисленные выше материалы во многом определяют прогресс техники, возникает необходимость эффективно обрабатывать детали из подобных, «необрабатываемых традиционными способами», материалов.
Для решения проблемы обработки сверхтвердых и хрупких материалов разработаны и внедрены в практику специальные способы обработки: алмазосодержащим вращающимся инструментом, электрохимический, электроэрозионный, электронно-лучевой, ультразвуковой.
Все перечисленные способы обработки характеризуются очень высокой экологической опасностью и энергоемкостью процесса.
Так, наиболее широко используемый в практике способ обработки алмазосодержащим вращающимся инструментом характеризуется энергоемкостью (затратами электрической энергии на съем единицы объема обрабатываемого материала), приблизительно равной
2000 Дж/мм3, обеспечивая выполнение отверстий диаметром не более 25 мм с производительностью не выше 0,5 мм/мин.
При такой обработке используется большое количество охлаждающей воды (не менее 1…5 л/мин), причем очистка ее от мелкодисперсного порошка разрушаемого материала (например, стекла) является сложной проблемой.
При механической обработке с помощью алмазосодержащих инструментов используются мощные, высокоскоростные сверлильные станки.
Износ рабочего инструмента достигает 5% от глубины выполняемых отверстий, а изготовление алмазосодержащих инструментов диаметром более 25 мм является технически неразрешимой задачей.
Приведенные данные по энергозатратам и расходу материалов при алмазном сверлении обуславливают высокую стоимость выполнения одного отверстия (до 15 долларов США).
Очевидно, что такой способ обработки будет экологически опасным (акустический шум, вращающийся с большой частотой рабочий инструмент, унос большого количества воды с мелкодисперсным порошком и т.п.) и не ресурсосберегающим (большой расход алмазного инструмента, малая производительность сверления, большой расход воды, большое энергопотребление).
Преимущества ультразвукового (УЗ) способа обработки перед другими заключаются в возможности обрабатывать непроводящие и непрозрачные материалы, а также в отсутствии после обработки остаточных напряжений, приводящих при использовании других способов к образованию трещин на обрабатываемой поверхности.
Ультразвуковым способом эффективно обрабатываются такие хрупкие материалы, как агат, алебастр, алмаз, гипс, германий, гранит, графит, карбид бора, кварц, керамика, корунд, кремний, мрамор, нефрит, перламутр, рубин, сапфир, стекло, твердые сплавы, термокорунд, фарфор, фаянс, ферриты, хрусталь, яшма и многие другие.
Ультразвуковой способ обработки представляет собой разновидность обработки долблением – хрупкий материал выкалывается из изделия ударами зерен более твердого абразива, которые направляются торцом рабочего инструмента, колеблющегося с ультразвуковой частотой. Применение ультразвуковых колебаний позволяет интенсифицировать процесс хрупкого разрушения обрабатываемого материала за счет создания сетки микротрещин и выколов на поверхности.