Областное государственное бюджетное профессиональное образовательное учреждение
«Смоленская академия профессионального образования»
Наукоёмкие технологии в машиностроении
(Курс лекций)
Специальность
15.02.08 «Технология машиностроения»
Ковалева О.Н.
ТерещенковаС.В.
Смоленск, 2014г
Содержание
Лекция №1 Физико-химические методы обработки.
Лекция №2 Сущность и основные закономерности электроэрозионной обработки
Лекция №3 Электрохимическая обработка
Лекция№4 Ультразвуковая обработка
Лекция №5 Ультразвуковая размерная обработка
Лекция №6 Физические основы электронно-лучевой обработки
Лекция № 7. Электронно-лучевая сварка
Лекция №8 Размерная электронно-лучевая обработка
Лекция №9Лазерное излучение как источник нагрева материалов
Лекция №10 Лазерное поверхностное термическое упрочнение.
Лекция №11 Лазерная размерная обработка
Лекция №12. Физические основы плазменной обработки
Лекция №13. Плазменные технологии
Лекция №14Плазменная резка материалов
Лекция №1
Физико-химические методы обработки.
Тема: ОБЛАСТЬ ПРИМЕНЕНИЯ ФИЗИКО-ХИМИЧЕСКИХ
МЕТОДОВ ОБРАБОТКИ.
Классификация физико-химических методов обработки.
Характеристика групп физико-химических методов обработки.
Области применения методов обработки.
Физико-химические методы обработки следует рассматривать как одну из областей современной электротехнологии, которая основана на применении электрической энергии для непосредственного или опосредованного использования при формообразовании поверхностей.
Современная электротехнология обработки материалов имеет весьма широкий спектр применения, включая, в том числе, электросварку, электронагрев, электроосаждение металла, но для целей съема и удаления металлических и неметаллических материалов используют следующие физико-химические методы:
— электрофизические методы обработки;
— электрохимические методы обработки.
Под электрофизическими и электрохимическими методами размерной обработки понимают совокупность электрических, электромагнитных и электрохимических процессов или различных сочетаний теплового, механического или химического воздействия на твердое тело с целью придания
ему заданных формы и размеров.
В соответствии с принятой классификацией и в зависимости от вида
воздействия на обрабатываемый материал указанные методы обработки можно разделить на три большие группы.
Первая, наиболее многочисленная группа, охватывает методы, в которых используется тепловое воздействие на обрабатываемый материал.
В эту группу входят электроэрозионная, электронно-лучевая и лазерная
обработки.
Вторая группа объединяет методы, основанные на химическом иэлектрохимическом воздействии на обрабатываемый материал. В нее входят многочисленные разновидности электрохимической обработки, основанные на анодном растворении материала и методы химического фрезерования, основанные на растворении материала кислотами и щелочами.
Третья группа включает методы импульсного механического воздействия на обрабатываемый материал. Это ультразвуковая обработка.
Общими характерными особенностями физико-химических методов
обработки, которые обеспечивают их преимущество, по сравнению с механической обработкой, являются:
— независимость производительности от твердости и вязкости обрабатываемого материала; исключение составляет ультразвуковой метод,
который можно применять только при обработке преимущественно хрупких материалов;
— возможность копирования сложной формы по всей поверхности
заготовки при достаточно простой кинематике — поступательном перемещении инструмента;
— возможность введения энергии большой мощности в рабочую зону, что обеспечивает высокую производительность обработки;
— осуществление обработки практически без силового воздействия
инструмента на деталь, что позволяет выполнить инструмент из легкообрабатываемого материала, а также обрабатывать детали нежесткой конструкции, или нежестким инструментом;
— простота автоматизации оборудования и возможность многостаночного обслуживания.
Основной недостаток методов электротехнологии по сравнению с механической обработкой — высокая энергоемкость.
Методы электротехнологии целесообразно применять в следующих случаях:
— когда обрабатываемый материал плохо поддается механическойобработке, например, при формообразовании жаропрочных, нержавеющих, магнитных, титановых и твердых сплавов, полупроводниковых материалов, ферритов, керамики и минералов;
— на операциях, выполнение которых традиционными методами вызывает значительные трудности, например, при изготовлении криволинейных каналов, соединительных каналов и отверстий в труднодоступных местах пневмо- и гидроаппаратуры, при изготовлении цельных роторов с лопатками;
— для изготовления деталей, не допускающих силового воздействия
инструмента на заготовку, например, тонкостенных деталей приборов, деталей из хрупких материалов, а также для клеймения и маркирования режущего инструмента;
— для механизации и автоматизации таких операций, как удаление
заусенцев, изготовление шаблонов, изготовление вырубных штампов;
— с целью значительного сокращения числа операций по сравнению
с механической обработкой при изготовлении деталей сложной формы;
— для снижения затрат на инструменты, например, для изготовления
отверстий малого диаметра, клеймения и маркирования деталей высокой
твердости, изготовления сложных поверхностей.
Литература
1. Электрофизические и электрохимические методы обработки материалов/ Б.А. Артамонов, Ю.С. Волков, В.И. Дрожалова и др. — М.: Высшая школа, 1983. — 248 с.
2. Справочник по электрофизическим методам обработки/ Г.Л. Амитен, И.А. Байсуров, Ю.М. Барон и др.; Под ред. В.А. Волосатова. — Л.: Машиностроение, 1988. — 719 с.
3. Бирюков Б.Н. Электрофизические и электрохимические методы размерной обработки. — М.: Машиностроение, 1981. — 128 с.
4. Долгих А.М., Серов Ю.И., Шапошник Р.К. Основы электрофизических методов обработки деталей. Учебное пособие: Саратов, СГТУ, 1994. — 64 с.
5. Овчаров Б.И. Быстрые электроэрозионные зеркальные системы “ПИКА”. Журнал ИТО. — № 3. — 2002.
6. Отто М.Ш., Балицкий В.Б. Электрофизические и электрохимические методы размерной обработки. Руководство технолога и электроэрозиониста. — М.: ЭНИИМС, 1989. — 91 с.
7. Попилов Л.Я. Электрофизическая и электрохимическая обработка материалов: Справочник. — М.: Машиностроение, 1982. — 400 с.
8. Электрофизические и электрохимические методы обработки/ З.И.Поляков, И.Я. Мирнов, В.Ю. Шамин и др. Конспект лекций: Челябинск,ЧПИ, 1975. — 118 с.
9. Фотеев Н.К. Технология электроэрозионной обработки. — М.: Машиностроение, 1980. — 184 с.
10. Кохановская Т.С. К вопросу о линейном сервоприводе. ЖурналИТО. — № 3, 2000.
11. Серебряницкий П.П. Линейные двигатели нового поколения.Журнал “Двигатель”. — № 3, 2000.
12. Коваленко В.С. Электрофизические и электрохимические методыобработки материалов. — Киев: Вища школа, 1975. — 234 с.
13. Великий В., Рябов К. Высокопроизводительная обработка жаропрочных и титановых сплавов. Журнал “Двигатель”. — № 3, 2001.
14. Хохряков Б. Трудный опыт выбора. Журнал “Двигатель”. — № 3,2000.
15. Воронов В.Н. Исследование технологического процесса размерно-чистовой электрохимической обработки деталей автотракторных двигателей. Автореферат диссертации на соискание ученой степени канд. техн. наук: Челябинск, 1972. — 24 с.
Лекция №2
Тема. Сущность и основные закономерности электроэрозионной обработки
Явление электрической эрозии
Электроискровая обработка
Явление электрической эрозии, т.е. разрушение контактов под действием электрических разрядов, известно давно. В частности искровые идуговые разряды возникают при разрыве или отключении электрических цепей. Электрическая эрозия — очень вредное явление в энергетике, сокращающее срок службы и надежность электрических устройств.
Советские ученые Б.Р. Лазаренко и Н.И. Лазаренко впервые использовали эффект электрической эрозии для направленного удаления металла. С этой целью они поместили электроды (инструмент и заготовку) вжидкий диэлектрик, который охлаждал образующиеся продукты электрической эрозии и не позволял им оседать на противоположный электрод. Вкачестве генератора импульсов они использовали батарею конденсаторов 2 (рис. 1), заряженных от источника постоянного тока [1].
Время зарядки конденсаторов регулировалось реостатом 1. При перемещении электрода-инструмента 3 в направлении к заготовке 4 при определенномзазоре, называемом межэлектродным промежутком, возникали электрические разряды, а образующиеся продукты обработки попадали в диэлектрическую жидкость 5 и оседали надно ванны. Таким образом, происходило копирование профиля электрода на заготовке.
Этот эффект в 1943 г. был признан изобретением, которое имело выдающееся значение, т.к. этим самым был создан совершенно новый метод формообразования поверхностей.
Первоначально для осуществления электроэрозионной обработки применялись исключительно искровые разряды, создаваемые конденсатором в так называемом RC-генераторе. Поэтому новый процесс назвали электроискровой обработкой.
Позднее были разработаны специальные генераторы импульсов, благодаря которым обработку можно было производить не на коротких искровых импульсах, а на более длительных искродуговых и дуговых разрядах. Чтобы отличить новые условия процесса, его стали называть электроимпульсной обработкой.
В дальнейших исследованиях этих видов обработки был выявлен так называемый полярный эффект, при котором эрозия одного электрода, больше, чем эрозия другого. Существенное влияние на полярный эффект имеет длительность электрического разряда. Так, при коротких импульсах тепловая энергия преимущественно выделяется на аноде, что естественно приводит к большей его эрозии. При увеличении длительности импульса наступает обратное изменение теплового потока и соответственно эрозии электродов, при которой больше изнашивается катод.
Поскольку электрод-инструмент должен подвергаться меньшей эрозии, чем обрабатываемая заготовка, то принята следующая полярность:
— при электроискровой обработке принимается прямая полярность,
т.е. электрод — катод(–), заготовка — анод (+);
— при электроимпульсной обработке — обратная полярность (электрод “+”, обрабатываемая заготовка — “–“) [1].
Явления, протекающие в результате электрических разрядов, рассмотрены в работах Б.Н. Золотых, А.Л. Лифшица, Ю.С. Волкова и др. Согласно выдвинутых ими гипотез процесс единичного электроэрозионного
разряда, включает следующие последовательно протекающие стадии,
представленные на рис. 2.2 (см. с. 7) [6].
Стадия 1 — пробой
межэлектродного промежутка, в процессе которого в диэлектрической среде образуется канал сплошной проводимости.
Стадии 2 и 3, на которых формируется канал разряда, представляющий собой быстро расширяющуюся зону сквозной проводимости, заполненную плазмой из электронов и ионов с очень высокой температурой.
Это приводит к частичному испарению, а также расплавлению поверхностей анода и катода, а за счет сжатия практически несжимаемой диэлектрической жидкости в канале создается высокое давление (до 20 МПа), а
также газовый пузырь, расширяющийся с большой скоростью.
Стадия 4. В образовавшемся газовом пузыре давление намного превосходит атмосферное, что приводит к перегреву расплавленного металла
выше его температуры плавления. После окончания разряда давление в газовом пузыре, падает ниже атмосферного и происходит его схлопывание.
Перегретый токопроводящий материал взрывообразно вскипает, что приводит к его выбросу с поверхностей электродов.
Разряд образует на поверхностях электродов лунки, которые увеличивают на локальном участке размер межэлектродного промежутка. Большое количество таких лунок, размеры которых определяются энергией и
длительностью единичных разрядов, формирует геометрию межэлектродной полости.
После разряда в течение некоторого времени происходит остывание столба канала и деионизация вещества плазмы в межэлектродном промежутке. Электрическая прочность межэлектродного промежутка восстанавливается. Время деионизации жидкого диэлектрика составляет 10−6...10−2с. Оно зависит от энергии предшествующего разряда. Следующий разряд обычно возникает уже в новом месте, между двумя другими ближайшими точками электродов. Длительность интервалов между импульсами должна быть достаточной для удаления из зоны разряда продуктов эрозии, а также газового пузыря, являющегося главным препятствием для возникновения и повторения следующих разрядов. В связи с этим частота разрядов с возрастанием их энергии снижается.
Так происходит до тех пор, пока разряды не удалят с поверхности электродов все участки металла, которые находятся на расстоянии пробоя при величине приложенного напряжения. Когда расстояние между электродами превысит пробивное напряжение, для возобновления разрядов
электроды должны быть сближены. Обычно электроды сближают в течение всего времени обработки так, чтобы электрические разряды не прекращались. Если поверхность одного электрода меньше, чем поверхность
(Рис. 2.2) другого, то под действием непрерывно повторяющихся разрядов происходит разрушение большего электрода на участке, воспроизводящем форму меньшего электрода.
Величина подводимой электрической энергии и частота электрических импульсов оказывают решающее влияние на развитие единичного электрического разряда. При подаче синусоидального импульса напряжения на электроды (рис. 2.3) на участке 0−1 напряжение увеличивается до Uпр, при котором нарушается диэлектрическая прочность промежутка.
Среднее напряжение, при котором происходит пробой межэлектродного промежутка, почти линейно зависит от величины этого промежутка и на чистовых режимах составляет 40...50, а для черновых — 70...80 вольт.
Участок 1−2 соответствует искровой стадии разряда, для которой
характерно быстрое снижение напряжения на промежутке до 25...35В и столь же быстрое увеличение тока в цепи. Участок 2−3 соответствует дуговой стадии разряда, на которой незначительно снижаются напряжение и ток в цепи. При падении напряжения Usниже 15...20 B разряд прекращается. При обработке короткими импульсами высокой частоты дуговая стадия разряда может отсутствовать, и разряд прекращается сразу после искровой стадии.
Количество удаляемого материала на дуговой стадии разряда и размеры образующихся лунок значительно больше, чем на искровой стадии [4].
При электроэрозионной обработке используются электрические импульсы различной формы, но одной полярности, называемые иногда униполярными импульсами.
Импульс характеризуется амплитудным значением или амплитудой напряжения Umи тока Im(рис. 2.4, см. с. 9). При электроэрозионной обработке амплитуда напряжения может изменяться от нескольких вольт до сотен вольт, а амплитуда тока от долей ампера до нескольких тысяч ампер.
Основными параметрами электрических импульсов, подаваемых к межэлектродному промежутку, являются их частота повторения, длительность, амплитуда и скважность, а также форма, определяющие максимальную мощность и энергию. Форма и параметры импульсов оказывают существенное влияние на износ электрода-инструмента, производительность и высотные параметры шероховатости обработанной поверхности.
Рис.2.4
Обозначим частоту повторения импульсов, т.е. их число в секунду,
через f. Тогда «T» будет являться периодом: Т l/f
Он определяет промежуток времени, через который следует очередной импульс (рис. 2.4, а). Период Т состоит из двух частей — длительности импульса tии интервала (паузы) между двумя смежными импульсами
(рис. 2.4, б).
Одной из характеристик электроэрозионного процесса является скважность импульсов q, которой показывают отношение периода Т к длительности импульса tи. В зависимости от режима обработки диапазон скважностей может колебаться в пределах от 1 до 30.
Форма импульсов может быть различной. Напряжение и ток могут изменяться по гармоническим кривым. График напряжения и тока может быть остроугольным, прямоугольным или пилообразным или другой, более сложной формы. Форма импульса зависит от выходных параметров установки, формирующей импульсы (генератора импульсов), а также от параметров электрической цепи, к которой подключены электроды.
Литература
1. Электрофизические и электрохимические методы обработки материалов/ Б.А. Артамонов, Ю.С. Волков, В.И. Дрожалова и др. — М.: Высшая
школа, 1983. — 248 с.
2. Справочник по электрофизическим методам обработки/ Г.Л. Амитен, И.А. Байсуров, Ю.М. Барон и др.; Под ред. В.А. Волосатова. — Л.: Машиностроение, 1988. — 719 с.
3. Бирюков Б.Н. Электрофизические и электрохимические методы размерной обработки. — М.: Машиностроение, 1981. — 128 с.
4. Долгих А.М., Серов Ю.И., Шапошник Р.К. Основы электрофизических методов обработки деталей. Учебное пособие: Саратов, СГТУ, 1994. — 64 с.
5. Овчаров Б.И. Быстрые электроэрозионные зеркальные системы “ПИКА”. Журнал ИТО. — № 3. — 2002.
6. Отто М.Ш., Балицкий В.Б. Электрофизические и электрохимические методы размерной обработки. Руководство технолога и электроэрозиониста. — М.: ЭНИИМС, 1989. — 91 с.
7. Попилов Л.Я. Электрофизическая и электрохимическая обработка
материалов: Справочник. — М.: Машиностроение, 1982. — 400 с.
8. Электрофизические и электрохимические методы обработки/ З.И.
Поляков, И.Я. Мирнов, В.Ю. Шамин и др. Конспект лекций: Челябинск,
ЧПИ, 1975. — 118 с.
9. Фотеев Н.К. Технология электроэрозионной обработки. — М.: Машиностроение, 1980. — 184 с.
10. Кохановская Т.С. К вопросу о линейном сервоприводе. Журнал ИТО. — № 3, 2000.
11. Серебряницкий П.П. Линейные двигатели нового поколения.
Журнал “Двигатель”. — № 3, 2000.
12. Коваленко В.С. Электрофизические и электрохимические методы
Лекция №3
ЭЛЕКТРОХИМИЧЕСКАЯ ОБРАБОТКА
|
