Классификация физико-химических способов обработки материалов

Курс лекций

ВВЕДЕНИЕ. ИСТОРИЧЕСКАЯ СПРАВКА. КЛАССИФИКАЦИЯ ФИЗИКО-ХИМИЧЕСКИХ МЕТОДОВ ОБРАБОТКИ МАТЕРИАЛОВ

Введение. В современном машиностроении возникают технологические проблемы, связанные с обработкой новых материалов и сплавов (например, жаро- и кислотостойкие, специальные никелевые стали, тугоплавкие сплавы, композиты, неметаллические материалы: алмазы, рубины, германий, кремний, порошковые тугоплавкие материалы и т.п.) форму и состояние поверхностного слоя которых трудно получить известными механическими методами.

К таким проблемам относится обработка весьма прочных или весьма вязких материалов, хрупких и неметаллических материалов (керамика), тонкостенных нежестких деталей, а также пазов и отверстий, имеющих размеры в несколько МКМ; получение поверхностей деталей с малой шероховатостью, с очень малой толщиной дефектного поверхностного слоя и т.д.

В этих условиях, когда возможность обработки резанием ограничены плохой обрабатываемостью материала изделия, сложностью формы обрабатываемой поверхности или обработка вообще невозможна, целесообразно применять электрофизические и электрохимические методы обработки [1].

Их достоинства следующие:

1) механические нагрузки либо отсутствуют, либо настолько малы, что практически не влияют на суммарную погрешность точности обработки;

2) позволяют изменять форму обрабатываемой поверхности заготовки (детали);

3) позволяют влиять и даже изменять состояние поверхностного слоя детали;

4) не образуется наклеп обработанной поверхности;

5) дефектный слой не образуется;

6) удаляются прижоги поверхности, полученные при шлифовании;

7) повышаются: износостойкость, коррозионная стойкость, прочность и другие эксплуатационные характеристики поверхностей деталей.

Кинематика формообразования поверхностей деталей электрофизическими и электрофизическими методами обработки, как правило, проста, что обеспечивает точное регулирование процессов и их автоматизацию.

На обрабатываемость деталей такими методами (за исключением ультразвукового) не влияют твердость и вязкость материала детали.

Историческая справка.

В науке и технике …. разрушение контактов под действием электрических разрядов было известно давно. В частности, искровые и дуговые разряды возникают при разрыве или отключении электрических цепей. Электрической эрозии подвержены контакты реле, выключателей, рубильников и других подобных устройств. Электрическая эрозия – очень вредное явление, сокращающее срок службы и снижающее надежность электрических устройств. Много исследований было посвящено устранению, или хотя бы уменьшению такого разрушения контактов.

Над этой проблемой в годы Великой Отечественной войны работали ученые Б.Р.Лазаренко и Н.И.Лазаренко. За изобретение ЭЭО они были удостоены Государственной премии СССР. Позднее Б.Р.Лазаренко был избран академиком АН Молдавской ССР, где и работал до конца жизни (1910….1979 г.г.).

Большой вклад в развитие методов ЭЭО советские ученые и инженеры Б.Н.Золотых, А.Л.Лившиц, Л. С. Палатник, М. Ш.Отто и другие.

Разработка основ электрохимического метода и технологического его применения принадлежит талантливому ученому В.Н.Гусеву (1904…1956 г.г.). В 1929 г. он получил патент на ЭХО. Первые опыты по размерной электрохимической обработке металлов были проведены в 40-х годах прошлого столетия. В 1954 г. он получил патент на заточку сверл с вершинами из карбидов. В последующие годы, как самим Гусевым, так и другими учеными были разработаны различные варианты электрохимической технологии и созданы основы теории электрохимического метода.

Начальный период развития метода характеризуется тем, что наряду с его использованием в производстве (для получения профиля пера турбинных и компрессорных лопаток, ковочных штампов, пресс форм, кольцевых деталей, прошивки отверстий и щелей, заточки инструмента, удаления заусенцев и др.) происходило накопление экспериментальных и статических данных; делались попытки теоретических обобщений, которые позволили бы заранее, без испытаний, предсказать конечные результаты обработки.

Позже появилось стремление к выявлению основных зависимостей процесса, которые позволяют управлять процессом электрохимической обработки. Попытка обобщения накопленного материала в области теории и практики электрохимической обработки с учетом опыта отечественных и зарубежных заводов сделана в монографии И.И.Мороза и др.[4].

Успехи, достигнутые в области электрохимического образования деталей сложной формы, и прежде всего лопаток турбин и компрессоров, а также полостей ковочных штампов, достаточно полно изложены в книге В.А.Головачева «Электрохимическая размерная обработка деталей сложной формы».

В настоящее время значительные успехи достигнуты в области моделирования электрических полей и решении задач формообразования поверхности при ЭХО, сделаны попытки аналитического расчета простых форм инструментов, обеспечивающих достаточно высокую точность изготовления отверстий и полостей. Созданы математические модели, учитывающие гидродинамику потока электролита, для определенной формы поверхности, получаемой при ЭХО, и методики определения погрешностей, припусков и качества обработки.

В области теории разработаны оригинальные методики прогнозирования обрабатываемости металлов и сплавов в условиях ЭХО [ И.Э.АН.СССР ].

Быстрое развитие технологически развитых отраслей промышленности (авиационной, ядерной и т.д.) сопровождалось повышением доли использования труднообрабатываемых сплавов. Характер металлообработки начинает изменяться. Традиционные способы резания металлов больше не соответствуют современным требованиям. Хотя скорость резания таких материалов, как низкоуглеродистая сталь, в результате успехов технологии станкостроения и режущих инструментов удваивается примерно каждые 10 лет, предельная прочность на разрыв материалов, которые можно обрабатывать, например, со скоростью 30 м / мин, удваивается примерно только каждые 50 лет. Кроме того, предельная прочность на разрыв используемых материалов, по-видимому, удваивается примерно каждые 20 лет. Следовательно, уже наблюдается упадок технологии металлообработки в некоторых отраслях промышленности.

Предпринимались попытки преодолеть трудности обработки труднообрабатываемых материалов путем горячей обработки, или путем применения абразивных методов или таких как У.З. обработка. Успех, однако был частичным. Необходимы методы, при которых скорость обработки не зависела бы от твердости детали.

Наметились два основных направления в решении данной проблемы: термические и химические методы обработки.

Термические методы обработки основаны на том, что путем концентрации энергии на маленьком участке детали материал можно расплавить и испарить. Энергия может подаваться в форме:

— теплоты — газопламенная или плазменная обработка;

— света — лазеры;

— электронная бомбардировка — электронный луч и электрическая эрозия.

Из термических существует только один метод, который уже позволяет экономически выгодно удалять довольно большое количество металла с детали со значительной степенью точности: — это процесс электрической эрозии, который разрабатывается с 1940 г.

Однако скорость, с которой можно удалять металл электроискровым методом при условии высокого класса чистоты поверхности, ограничена, более того, высокая производительность процесса приводит к часто наблюдаемому повреждению поверхности, что делает этот способ во многих случаях непригодным. Следовательно, ни один из термических методов не решает полностью проблемы обработки высокопрочных металлов в широком масштабе.

Химические методы, кроме способов травления, включают электрохимическую обработку. Этот метод можно использовать для обработки особо твердых и вязких электропроводных материалов (не зависимо от твердости или прочности детали — скорость съема металла не меняется). При этом достигается:

— высокая скорость съема металла (более 1000 мм/мин);

— высокий класс точности;

— отсутствует износ инструмента;

— отсутствуют остаточные напряжения;

— отсутствуют повреждения материала детали;

— отсутствуют заусенцы на кромках реза.

К числу современных технологических процессов, получивших за последние 30…40 лет практическое применение, принадлежит ультразвуковая размерная обработка труднообрабатываемых материалов (кварц, керамика, фарфор, ферриты, кремний, германий, цветные поделочные и полудрагоценные камни). Сущность ультразвуковой размерной (абразивной) обработки твердых хрупких материалов состоит в направленном разрушении обрабатываемого материала под действием ударов абразивных зерен, находящихся между поверхностями материала и инструмента, колеблющегося с ультразвуковой частотой в продольном (осевом) направлении. Частота — 18…25 тыс. ударов в секунду. Число зерен, участвующих в резании — 30…100 тыс. на один квадратный сантиметр площади. Это разновидность механической обработки материалов. Ультразвуковые процессы основаны на использовании механических колебаний, распространяющихся в газах, жидкостях и твердых телах.

Бурное развитие квантовой электроники, в значительной мере обусловленное выдающимися достижениями научных школ академиков Н. Г. Басова и А. М. Прохорова, удостоенных совместно с американским ученым Ч. Таунсом Нобелевской премии, привело к созданию принципиально новых источников энергии — лазеров. Лазерное излучение характеризуется гигантской концентрацией энергии, сфокусированной на чрезвычайно малую площадь, теоретически соизмеримую с квадратом длины волны излучения.

Лазер – это генератор электромагнитных волн в диапазоне ультрафиолетового, видимого и инфракрасного излучений. Начиная с конца 60-х годов прошлого столетия лазеры (небольшой мощности) получили первое применение в технологии обработки материалов (сначала в приборостроении). Большие потенциальные возможности заложены в применении процессов, осуществляемых с помощью импульсного нагружения — высоковольтный электрический разряд в жидкости — электрогидравлическая обработка. Впервые на разрушительную силу электрического разряда указано в 18 столетии (1767 … 1769 г.г.) .

Экспериментальное устройство того времени включало все основные элементы современной установки для осуществления импульсного разряда:

— конденсатор (лейденская банка);

— коммутирующий элемент (воздушный шаровой разрядник);

— электроды, погруженные в жидкость.

Опытная проверка промышленного испытания электрогидравлической обработки началась с середины 50-х годов и установила ряд преимуществ перед методами, использующими в качестве источника энергии – взрывчатые вещества в режиме взрывного химического превращения:

— возможность управления процессом накопления и выделения энергии;

— отсутствие источников повышенной опасности после отключения установки;

— простота и низкая себестоимость оснастки.

Применение:

1). Формообразование и калибровка деталей из пространственных заготовок диаметром 200 … 1100 мм при высоте до 1100 мм и толщине до 5 мм и др.;

2). Очистка от окалины и неметаллических покрытий отливок из цветных и черных металлов весом от 1кг до 10 …15 т.

Большая роль в развитии технологии электрогидравлической обработки машиностроительных материалов принадлежит С. М. Поляку, Л. А. Юткину, К. Н. Богоявленскому, Б. Г.Красичковой и др. (Физико-технический институт АН БССР)

КЛАССИФИКАЦИЯ ФИЗИКО-ХИМИЧЕСКИХ СПОСОБОВ ОБРАБОТКИ МАТЕРИАЛОВ

В современном машиностроении при изготовлении ответственных деталей применяются физико-химические способы размерной и упрочняющее-чистовой обработки. Эти способы дополняют, а иногда заменяют традиционные процессы резания. Постоянно растущие требования к качеству, надежности и долговечности изделий делают актуальными создание и применение новых методов обработки и упрочняющей технологии для повышения износостойкости, коррозионной стойкости, жаропрочности и других эксплуатационных характеристик.

Физико-химические способы имеют следующие достоинства и преимущества перед процессами резания:

1). Копирование формы инструмента сложной формы сразу по всей поверхности заготовки при его простом поступательном движении;

2). Обработка материалов ведется при практической независимости режимов обработки от твердости и вязкости материала;

3). Выполнение уникальных операций (обработка отверстий с криволинейной или спиральной осью, изготовление очень маленьких отверстий, узких и глубоких канавок;

4). Малые значения сил, действующих в процессе обработки, а при некоторых методах отсутствие механического контакта инструмента и заготовки;

5). Используется инструмент менее твердый и менее прочный, чем обрабатываемый материал;

6). Высокая производительность обработки при сравнительно высокой точности получения размеров;

7). Возможность механизации и автоматизации процесса физико-химической обработки, а также многостаночного обслуживания.

Однако физико-химические способы обработки более энергоемки, чем процессы резания. Основные физико-химические способы размерной и упрочняюще-чистовой обработки заготовок следующие:

1. Электроразрядные — электроэрозионный, электроконтактный и абразивно-эрозионный.

2. Электрохимические — электрохимикогидравлический и электрохимикомеханический.

3. Ультразвуковые — размерная ультразвуковая обработка и наложение ультразвуковых колебаний на режущий инструмент.

4. Лучевые — лазерный, электроннолучевой и плазменный.

5. Магнитноимпульсная — индукционная и электродинамическая.

6. Магнитноабразивная.

7. Комбинированные — анодно-механический, элетроэрозионно-химический, ультразвуковой-электрохимический и электролазерный.

В этих методах удаление припуска происходит путем электрической или химической эрозии. Они особенно эффективны при изготовлении таких изделий: штампы, пресс-формы, турбинные лопатки, камеры сгорания, фасонный твердосплавный инструмент, электронная аппаратура и др.

Технико-экономический эффект их применения тем выше, чем сложнее конфигурация обрабатываемых деталей: время изготовления обычных фасонных поверхностей снижается в 2 … 3 раза, сложных – в 5 … 10 раз. Большинство физико-химических методов разработано в СССР.

Основные особенности рабочих процессов физико-химических методов и процесса резания приведены в таблице 1.1.

Таблица 1.1. — Основные особенности рабочих процессов физико-химических методов и процесса резания

Способ обработки	Рабочий процесс	Используемая энергия	Мощность удельная, N_уд, Вт/см²	Рабочая среда	Род обрабатываемых материалов

Электро-эрозионный	Эрозия в импульсных разрядах	Тепловая	10⁴... 10⁸	Жидкость диэлектрическая	Электропроводящие
Электро-контактный	Механическое удаление нагретого металла	то же	10⁴	Воздух, газ	то же
Электро-химический	Анодное растворение	Химическая	10³... 10⁴	Электролит	_____,,_____
Анодно-механический	Анодно-механическое удаление	Химическая + механическая	то же	то же	_____,,_____
Ультразвуковой	Хрупкое разрушение при ударном вдавливании абразивных зерен	Механическая	_____,,_____	Абразивная	Металлы и неметал- лы (тверд., и хрупк.)
Электронно-лучевой	Эрозия под действием потока электронов	Тепловая	10⁶... 10⁸	Вакуум 10^-4... 10^-6	Электропроводящие
Ионно-лучевой	Катодное распыление	то же	10⁶... 10⁷	Вакуум 10^-2... 10^-4	Лучше электропроводящие
Светолучевой	Световая эрозия	____,,_____	10⁶... 10⁸	Газ, жидкость	Любые
Процессы резания	Большие упруго-пластические деформации	Механическая	10²... 10³	Газ, СОЖ	_____,,_____