ЭФХМО 2 семестр бакалавриат направления ТХОМ Лекция 7-8
Методы обработки, основанные на тепловом воздействии
Классификация методов
Значительную часть электрофизикохимических методов обработки (ЭФХМО) составляют методы, при проведении которых материал разрушается и удаляется с обрабатываемой поверхности, или наносится на неё, путём его расплавления и испарения. Основные их различия заключаются в форме подвода и виде энергии, преобразуемой в зоне обработки в технологически необходимую тепловую энергию.
                |
Основными характеристиками материалов, определяющими возможность и технологические параметры их обработки тепловыми методами, являются теплофизические свойства (теплопроводность, температуропроводность, теплоёмкость, теплота плавления и фазовых превращений, температура плавления и др.).
Между показателями теплофизических свойств материала и технологическими характеристиками процессов тепловой обработки существует неявная связь. Неявность связана с тем, что наряду с ними на течение процесса влияет множество других факторов, которые могут оказывать противоположное действие.
Электроэрозионная обработка
Особенности обработки
Электроэрозионный метод основан на использовании явления электроэрозии, то есть на разрушение электродов при прохождении между ними импульса электрического тока и образования на поверхности электродов лунки. Причиной образования лунки является локальный нагрев электродов до весьма высокой температуры. Повторение импульсов, проходящих в различных точках инструмента, обуславливает съём слоя металла. В результате инструмент внедряется в деталь, образуя углубление, являющееся отпечатком поверхности и контура инструмента (рис. 9.1).
Рис. 9.1. Размещение электродов в процессе электроэрозионной обработки и схема последовательности возникновения разряда и образования лунки:
1 – ванна, 2 – электрод-заготовка, 3 – рабочая жидкость, 4 – электрод-инструмент (ЭИ), 5 – межэлектродный зазор (МЭЗ), 6 – разряд между наиболее близкими участками поверхности, 7 – расплавление металла и его выброс, 8 – лунка, оставшаяся на поверхности
Явление разрушения поверхности электродов электрическим разрядом, происходящим между ними, - электрическая эрозия – лежит в основе группы методов электрической обработки металлов, получивших общее название электроэрозионных. Для всех этих методов, независимо от их технического и технологического оформления и параметров, общим является наличие диэлектрической среды между электродами и подача энергии в форме предварительно сформированных импульсов. Эти импульсы вызывают в зоне обработки возникновение разряда. Разряд разрушает поверхность одного или обоих электродов импульсно выделяемым током.
Интенсивность процесса эрозии в основном определяется:
- теплофизическими параметрами материалов электродов (температурой, и теплотой плавления и испарения, теплоёмкостью и теплопроводностью);
- электрическими параметрами (энергией, длительностью, амплитудой, частотой следования);
- свойствами межэлектродной среды (электропроводностью, текучестью, насыщенностью газами и парами, вязкостью).
Так как электрической эрозии подвержены все токопроводящие материалы, то и электроэрозионными способами можно обрабатывать все токопроводящие материалы.
Электроэрозионная стойкость металлов определяется сочетанием их теплофизических свойств по критерию Палатника:
, (9.1)
где С – теплоёмкость, γ – плотность, λ – теплопроводность, Тn – температура плавления металла.
Процесс эрозии значительно интенсифицируется в жидкой среде 3 (рис. 9.1) и имеет, как правило, ярко выраженный полярный эффект. Вследствие этого эффекта один электрод (инструмент 4) изнашивается меньше другого (детали 2). Выбрасываемый из электроэрозионной лунки 8 металл 7 застывает в жидкой среде 3 в виде мелкодиспергированных гранул шаровидной формы.
Достоинства электроэрозионной обработки:
- возможность обработки токопроводящих материалов любой механической прочности, твёрдости, вязкости, хрупкости;
- возможность обработки деталей сложной геометрической формы, например, прошивание отверстий с криволинейной осью;
- широкий диапазон изменения параметров и режимов, позволяющий получать различные по размерам и шероховатости обработанные поверхности;
- отсутствие необходимости в специальном высокопрочном и высокотвёрдом инструменте;
- отсутствие механических воздействий на обрабатываемую деталь и инструмент;
- снижение отходов по сравнению с механической обработкой;
- возможность механизации и автоматизации процесса.
Недостатки электроэрозионной обработки:
- обратная зависимость между производительностью с одной стороны, чистотой и точностью обработки с другой стороны;
- необходимость проведения обработки при погружении заготовки и инструмента в жидкость;
- зависимость точности и чистоты обработки от большого числа трудно учитываемых факторов;
- относительно низкая производительность при обработке материалов невысокой твёрдости (цветные сплавы, мягкая сталь и др.).
Разновидности электроэрозионной обработки
Электроискровая обработка. Сблизим два электрода 2 и 4 до образования небольшого межэлектродного промежутка (МЭП) 5. Подключим к ним напряжение, достаточное для пробоя этого промежутка. В результате возникает электрический разряд 6 в виде узкого проводящего канала (столба). Температура этого канала измеряется тысячами и десятками тысяч градусов. У оснований этого канала на поверхности электродов наблюдается разрушение (расплавление, испарение, вырывание и т.п.) материала электродов – электрическая эрозия.
При погружении электродов в какую-либо диэлектрическую жидкость интенсивность разряда и, соответственно, степень эрозии электродов резко возрастает. В зависимости от длительности существования разряда изменяются глубина распространения тепла в объёме электродов и характер их разрушения. При кратковременных «искровых» разрядах (длительностью 10–4–10–8 с) распространения тепла ограничивается очень малым объёмом металла. Металл, расплавляясь и частично испаряясь, удаляется, оставляя после себя углубление – лунку 8. При более длительных разрядах (10–3 с и выше), а особенно при непрерывном («дуговом») разряде, обрабатываемый материал не успевает разогреться далеко за пределами обрабатываемого участка.
Выберем поверхность одного из электродов 4 меньшей, чем противоположного 2. Под действием многочисленных непрерывно повторяющихся искровых разрядов происходит разрушение её в пределах участка, точно воспроизводящего форму меньшего электрода (рис. 9.2).
| Рис. 9.2. Формы инструмента и их воспроизведение |
Если разряд относится к типу дугового, точного воспроизведения формы одного электрода на другом не произойдёт.
К достоинствам электроискровой обработки относятся:
- широкий диапазон режимов, охватывающий обработку от черновой до отделочной;
- возможность прецизионной обработки деталей сложных форм из твёрдых сплавов с получением высокой чистоты поверхности.
Недостатки:
- значительный износ электрода-инструмента, особенно на черновых режимах;
- низкая производительность на чистовых режимах и при прецизионной обработке;
- относительно ограниченная возможность повышения мощности, вводимой в зону обработки;
- повышенный удельный расход энергии; работа на повышенном (до 200–250 В ) напряжении.
Электроимпульсная обработка. Электроимпульсной называется разновидность электроэрозионной обработки, характеризующаяся следующими особенностями:
1) применение униполярных импульсов тока длительностью 0,5–10 мс (обычно около 1 мс), скважностью 1–10;
2) высокой производительностью, достигающей 5×103–1×104мм3/минна грубых режимах;
3) низкой чистотой обрабатываемой поверхности, находящейся вне класса на грубых режимах и достигающей 3–4-го классов на наиболее мягких режимах (R Z = 20–80 мкм);
4) малым относительным износом электродов-инструментов, составляющим для графита 0,1–0,5%;
5) применением обратной полярности – электрод-инструмент присоединяется к положительному полюсу источника тока;
6) применением в качестве источников тока преимущественно генераторов импульсов низкой и средней частоты (400–3000Гц);
7) работой преимущественно на низких напряжениях (25–30 В)и больших силах тока (50–500 А).
К достоинствам электроимпульсной обработки относятся: высокая производительность на черновых режимах; возможность введения значительных мощностей в зону обработки; работа на относительно безопасном напряжении; весьма незначительный износ обрабатывающего инструмента. Недостатки: низкое качество поверхности и наличие измененного слоя при обработке на черновых режимах; относительно низкая производительность при обработке твердых сплавов; сравнительно большой удельный расход энергии.
Высокочастотная электроэрозионная обработка (ЭЭО). Высокочастотный электроэрозионный метод является наиболее точным, позволяющим обрабатывать детали с чистотой до 9-го класса (R Z = 0,8–1,6 мкм) при производительности, в 30–50 раз превышающей производительность чистовых режимов электроискрового метода.
Обработка при высокочастотном электроэрозионном методе осуществляется с помощью специальных импульсов. Малая энергия этих импульсов обеспечивает высокую чистоту обработанной поверхности. Высокая частота следования импульсов позволяет получить большую производительность, так как при одной и той же энергии импульса интенсивность съема обрабатываемого материала прямо пропорциональна частоте следования импульсов. Малая длительность импульса предотвращает возникновение микротрещин на обработанной поверхности, а постоянство амплитуды способствует повышению точности обработки. Импульсы генерируются специальными генераторами. Обработка производится в среде керосина или дистиллированной воды со специальными добавками. В качестве материала инструмента применяется медь.
Униполярность импульсов обеспечивает малый износ электрода-инстру-мента, так как при коротких импульсах имеется явно выраженный полярный эффект, заключающийся в том, что анод более чем катод подвержен эрозии.
К достоинствам высокочастотной ЭЭО относятся:
- возможность выполнения прецизионной обработки с получением деталей высокой чистоты и точности;
- возможность применения в качестве рабочей жидкости не только органических жидкостей, но и слабых растворов электролитов;
- низкий износ электрода-инструмента, возможность осуществления на обычных станках с помощью специальных приставок.
Недостатки:
- относительно низкая производительность, хотя и превышающая производительность электроискровой обработки на чистовых режимах;
- необходимость применения установок и станков повышенной точности;
-необходимость принудительной прокачки жидкости в зазоре между электродом и заготовкой.