Материал: Нетрадиционные методы обработки в современном машиностроении

ВВЕДЕНИЕ

В современном машиностроении при изготовлении высокоточных деталей из труднообрабатываемых материалов все шире используются так называемые нетрадиционные методы обработки (НМО). Они включают в себя электроэрозионную, размерную электрохимическую, ультразвуковую, лучевую и комбинированную обработки.

Первоначально эти методы использовались преимущественно в оборонной промышленности в тех случаях, когда требовалось обеспечить необходимые показатели обработки невзирая на затраты на изготовление. Однако появление новых прогрессивных технологий и анализ накопленного промышленного опыта позволили создать технологические процессы с применением электрофизико-химических методов и для изделий необоронных отраслей. Следует отметить, что при этом достигаемые экономические показатели выгодно отличаются от аналогичных для традиционных методов обработки.

Главным отличием электрофизического и электрохимического методов обработки от механических является применение воздействия электрического тока на заготовку. В связи с этим можно выделить следующие особенности описываемых видов обработки:

• отсутствие непосредственного контакта между инструментом и заготовкой;

• для всех методов обработки, за исключением ультразвуковой, есть возможность обрабатывать деталь невзирая на физико-химические свойства ее материала;

• возможность свести к нулю нежелательные для поверхностного слоя детали последствия обработки;

• высокая производительность и сравнительно высокая точность;

• возможность получения таких геометрических форм, которые невозможны при механообработке (например,- каналов с непрямолинейной осью, нецилиндрических отверстий малого диаметра);

• возможность механизации и автоматизации производственных процессов;

• возможность сочетать разные способы обработки в одном (так называемые «комбинированные» методы), сохраняя и умножая при этом положительные черты исходных процессов, и сводя одновременно к минимуму нежелательные параметры процесса.

Вместе с тем существует ряд факторов, ограничивающих применение электрофизико-химических методов:

• ограниченное количество оборудования для рассматриваемых методов обработки на предприятиях, его высокая сложность и, как следствие, стоимость, что повышает затраты на внедрение новых технологических процессов;

• наличие в ряде случаев неблагоприятных условий труда, что требует установки специального оснащения для очистки отходов производства, защиты персонала, обеспечения пожарной безопасности;

• громоздкость оборудования.

Классифицируя электрические методы, можно выделить следующие виды воздействия на обрабатываемую поверхность :

1) механическое (постоянное и импульсное). Характерно для резания и ультразвуковой размерной обработки;

2) тепловое, при котором возникает местный нагрев поверхности обрабатываемого материала. Таким воздействием обладают все виды электроэрозионной обработки (электроискровая, электроимпульсная, электроконтактная и др.), лучевые методы (обработка электронным, ионным, световым лучом);

3) химическое, в основе которого лежат химические реакции, протекающие без электрического тока или под его действием. Наиболее известны гальванические процессы и размерная электрохимическая обработка в проточном электролите;

4) магнитное, где поле воздействует на заготовку или режущий инструмент. Известны: электромагнитная штамповка листовых материалов, очистка поверхности деталей от загрязнений (в том числе, от коррозии), чистовая обработка и полировка любых поверхностей ферромагнитными гранулами, перемещаемыми внешним полем;

Помимо этого отдельно выделяют комбинированную обработку, где одновременно сочетается несколько видов воздействий.

При электроэрозионной обработке (ЭЭО) снятие металла происходит за счет того, что между двумя электродами (инструмент-деталь) возникает электрический разряд, приводящий к местной электрической эрозии металла. Процесс сопровождается плавлением обрабатываемого участка, часть материала удаляется с поверхности и, охлаждаясь в рабочей среде, в основном, в жидкости- диэлектрике, застывает. Исключение составляет электроэрозионное упрочнение, где расплавленные частицы оседают на заготовку-катод.

Удаление металла при электрохимической размерной обработке (ЭХО) происходит под воздействием электрического тока в среде электролита без непосредственного контакта между инструментом и заготовкой. В основе процесса лежит явление анодного растворения металлов. Анодное растворение может протекать в электролитах различного состава, в том числе в неагрессивных средах- водных растворах хлорида натрия, нитрата натрия и др. Под действием тока в электролите материал анода растворяется и в виде продуктов обработки выносится из межэлектродного промежутка потоком электролита. Кроме того, в результате электрохимических реакций образуются газообразные продукты, которые удаляются в атмосферу. Катод (инструмент) не изнашивается, и это является одной из положительных особенностей процесса ЭХО.

В основу ультразвуковой размерной обработки положено следующее явление: если торец ультразвукового излучателя приблизить к поверхности детали, при этом поместив между ними абразив, то под воздействием ультразвуковых колебаний абразив в месте контакта будет разрушать поверхность детали. При этом форма полученного углубления повторит рельеф торца излучателя.

Понятие «комбинированные методы» включает в себя около 20 уже разработанных и получивших известность способов обработки, сочетающих в себе вышеперечисленные методы воздействий. Вместе с тем, имеется возможность разработки в общей сложности свыше 800 таких методов. Наиболее широко распространены: сочетание электрохимической и электроэрозионной, механической и электрохимической (электроабразивное шлифование, анодно-абразивная обработка), ультразвуковой и механической или электрохимической видов обработки.

В пособии не дается информации о проектировании технологических процессов с применением лучевых методов обработки в силу их сложности, а также меньшего распространения последних в машиностроении по сравнению с остальными электрофизико-химическими методами.

1. Проектирование технологического процесса электроэрозионной обработки[1].

1.1 Исходная информация для проектирования

Для проектирования технологических процессов необходимо иметь следующую исходную документацию и сведения, требуемые для расчета режимов обработки и оценки технико-экономических показателей электроэрозионной обработки:

• чертеж детали с техническими условиями;

• операционную карту для предшествующей операции;

• операционную карту для операции, следующей после этапа электро­эрозионной обработки;

• программу выпуска изделий, в которую входят сведения об изготовляемой детали, числе деталей, необходимых для сборки изделий и их ремонта в процессе эксплуатации;

• технико-экономические показатели процесса, по которому вы­полнялась операция до замены ее электроэрозионной обработкой;

• каталог электроэрозионного оборудования и перечень обору­дования, имеющегося на предприятии;

• каталог и альбомы чертежей имеющегося инструмента и при­способлений для электроэрозионной обработки.

1.2 Выбор области технологического использования электроэрозионной обработки короткими импульсами

Различают два способа электроэрозионной обработки короткими импульсами (электроискровой метод):

• профильным электродом- инструментом;

• непрофилированным электродом в форме проволоки или стержня.

Сравнивая технологические показатели различных способов, можно определить возможности наиболее эффективного их исполь­зования в машиностроении.

Электроэрозионная обработка в электроискровом режиме проис­ходит при относительно малой энергии импульсов, поэтому объем металла, удаленный за каждый импульс, невелик, а глубина лунки незначи­тельна. Такой режим позволяет получить поверхности с высокой точностью и малой шероховатостью при невысокой производитель­ности. Кроме того, процесс весьма энергоемок. Энергоемкость оценивают отношением расхода электрической энергии к массе удаленного с заготовки металла. Энергоемкость при обработке на электроискровом режиме на порядок выше по сравнению с меха­нической обработкой на аналогичных операциях. Велик также из­нос профильного инструмента. Это негативно влияет на точность обработки заготовки профильным инструментом. При использовании метода обработки непрофилированным электродом-инструментом за счет перемещения проволоки или стержня изношенные участки постоянно заменяются новыми и износ электрода- инструмента перестает влиять на погрешность процесса, что повышает точность обработки. С учетом сказанного обработка в электроискровом режиме эффективна для изготовления преци­зионных деталей небольших габаритов. Эффективность еще более повышается, если материал детали трудно поддается традицион­ным методам механической обработки или если обрабатываемая поверхность имеет сложную форму. Такие детали характерны для приборостроения, точного машиностроения, инструментального про­изводства.

1.3. Порядок проектирования

Проектирование технологического процесса выполняют по единой методике для оборудования с профильным и непрофилированным электродом-инструментом (ЭИ) в следующей последовательности [1]:

1) по форме обрабатываемой поверхности, ее размерам и тре­бованиям к шероховатости намечают один или несколько способов обработки, позволяющих обеспечить соответствие детали чертежу и техническим условиям; подбирают схему обработки (профильным, непрофилированным ЭИ), потребность во вспомогательных движениях (например, вращении ЭИ), виды подач ЭИ или заготовки;

2) намечают маршрут технологического процесса электроэро­зионной обработки, для чего определяют последовательность и чис­ло операций, выполняемых на станке, а также контрольных операций.

3) рассчитывают технологические показатели процесса для каж­дой операции: производительность, точность, качество поверхности и режимы обработки. Расчет режимов выполняют в зависимости от технологических требований к детали:

• при необходимости исключить последую­щую операцию находят параметры режима, обеспечивающие заданную точность и качество поверхности;

• если деталь должна ра­ботать в условиях динамических нагрузок, надо выбирать режимы, при которых отсутствуют микротрещины;

• для достижения мини­мальной трудоемкости за основу выбора режима принимают мак­симальную производительность процесса;

• для получения мини­мальной трудоемкости доводки выбирают режим, при котором за­траты на электроэрозионную обработку и последующую доводку будут минимальны.

Режимы рассчитывают в такой последовательности:

1) выби­рают технологический критерий, который должен быть достигнут в конце операции (точность, шероховатость, производительность и т. д.);

2) для выбранного критерия по формулам и номограммам, прилагаемым к оборудованию, находят энер­гию импульса Аи;

3) по характеру операции (черновая, чистовая) находят напряжение холостого хода и сред­нее напряжение. Выбирают требуемую диэлектрическую среду (во­да, нефтепродукты и др.);

4) определяют длительность импульса;

5) находят сред­ний ток, а затем ток короткого замыкания;

6) для известной энергии импульса и его длительности по форму­лам (1.1) — (1.11) находят технологические показатели процесса.

Рассчитанные показатели точности, шероховатости и состояния Т поверхностного слоя сравнивают с требованиями чертежа и техни­ческих условий. Если хотя бы один из показателей оказывается ни­же требований чертежа, необходимо наметить последующие опера­ции, используя для этой цели этот или другие методы обработки (электро­химический, механический и т. д.).

1.4. Качество поверхностного слоя

В результате электроэрозионной обработки поверхность приоб­ретает характерные неровности, а приповерхностные слои металла претерпевают физико- химические изменения. Это оказывает влия­ние на эксплуатационные показатели обрабатываемых деталей. Обрабатываемая поверхность формируется из перекрывающих друг друга произвольно расположенных лунок. Размеры лунок зависят от энергии импульса и материала электродов. Они воз-

растают с ростом энергии импульсов и умень­шением частоты их следования. На рис. 1.3 видно, что высота неровностей h_л зависит от степени перекрытия лунок.

Рис 1.3 Параметры поверхностного слоя

Высота неров­ностей профиля

R_z = (h_л1+ h_л2+ h_л3+ h_л4+ h_л5)/5,

где h_лi — глубина одной из пяти лунок в пределах базовой длины.

Если допустить, что размеры всех лунок на участке поверхности, где проводятся измерения шероховатости, одинаковы, то можно считать Rz  h_л. Поскольку размер лунки зависит от энергии им­пульса, то можно высоту неровностей выразить через энергию им­пульса А_и:

Электроискровое прошивание профильным инструментом используют:

• для изготовления ковочных штампов, пресс-форм небольших га­баритов из твердых сплавов и сталей;

• для изготовления мелких сеток, волноводов, гребенок и других деталей радиоэлектронной промышленности;

• для прошивания углублений и систем отверстий произвольного сечения в труднообрабатываемых материалах (наименьший диа­метр круглого отверстия около 0,1 мм); изготовления отверстий с криволинейной осью; нарезания резьб на твердосплавных и закаленных стальных заготовках; при маркировании деталей; для изготовления соединительных каналов в корпусных деталях гидроаппаратуры; удаления обломков сверл, метчиков и других инструментов;

Схема прошивания показана на рис. 1.1.

Рис. 1.1 Прошивание профильным электродом-инструментом:

Sn – скорость подачи

Схема обработки непрофилированным электродом-инструментом (НЭ) приведена на рис. 1.2 Разрезанием непрофилированным электродом-инструментом по­лучают:

• узкие сквозные или глухие щели;

• вырубные штампы небольших габаритов из твердых сплавов и закаленных сталей;

• рабочую часть резцов и других инструментов;

• щели в цангах для закрепления деталей малого диаметра (ме­нее 2… 3 мм);

Рис. 1.2 Разрезание НЭ [4]

1-электрод-нструмент; 2-заготовка

• таблетки из магнитных, вольфрамовых сплавов, при обработке которых требуется достичь минимального расхода материала;

• надписи, знаки, гравюры.

, (1.1)

где k_н — коэффициент, зависящий от режима обработки, материала электродов, их размеров, вида и состояния рабочей среды;

р = 0,3 …0,04 —показатель степени, характеризующий форму лунки. В расчетах принимают р= 1/3.

При чистовых режимах: для твердых сплавов k_н =1… 5, для сталей k_н =2… 12; при черновых режимах k_н = 10…50.

Шероховатость после электроэрозионного прошивания на чистовом режиме сталей R_a= 0,5-1 мкм; при вырезании непрофилированным электродом-инструментом R_a = 1,5-3 мкм.

Для генератора ШГИ шероховатость обработанной поверхности можно определить из номограммы (рис.1.4) (величина шероховатости дана по Rz).

Толщина Н измененного слоя оп­ределяется через глубину единичной лунки и расстояние от поверхности до границы, где наблюдается температура начала фазовых превращений материала заготовки.

Глубина измененного слоя зависит от тех же факторов, что и ше­роховатость, поэтому для расчетов можно использовать зависи­мость, аналогичную (1.1),

(1.2)

В зависимости от материала заготовки коэффициент k_т=(1,8…4)k_н .

а

б

Рис 1.4 Номограмма для определения высоты неровностей (Rz)

а- черновая обработка, б- чистовая обработка

Глубина Т(мм) измененного слоя для стальных заготовок в за­висимости от вида обработки составляет:

при черновой обработке (на электроискровом режиме) 0,1…0,4;

чистовой (на электроискровом режиме) - 0,004… 0,1.

Если Т  0,1 мм, то у всех сплавов, как правило, наблюдаются микротрещины. Подогрев заготовки перед обработкой позволяет снизить толщину измененного слоя в несколько раз, однако при этом необходимо использовать негорючие рабочие среды, что ус­ложняет конструкцию станков и их обслуживание.

Состояние поверхностного слоя определяет износостойкость, прочность и другие свойства детали в механизме. После электро­эрозионной обработки поверхностный слой приобретает свойства, по-разному влияющие на эксплуатационные характеристики дета­лей. Положительными являются: повышение твердости поверхности при сохранении вязкости сердцевины, большое количество лунок на поверхности, плавное их сопряжение. К недостаткам следует от­нести: возможность появления трещин, растягивающих напряжений, трудность получения поверхности с малой шероховатостью.