Файл: Учебное пособие для студентовзаочников. Компьютерная версия. 2е изд., перер и доп. Челябинск юурГУ, 2006. 89 с. З. И. Поляков и др., 1986. Издво Челябинского политехнического инсти тута имени Ленинского комсомола.pdf

Федеральное агентство по образованию
Государственное образовательное учреждение высшего профессионального образования
Южно-Уральский государственный университет
Кафедра «Технология машиностроения»
621.9(07)
П 542
З.И. Поляков, В.М. Исаков, Д.В. Исаков, В.Ю. Шамин
ЭЛЕКТРОФИЗИЧЕСКИЕ И ЭЛЕКТРОХИМИЧЕСКИЕ
МЕТОДЫ ОБРАБОТКИ
Учебное пособие для студентов-заочников
Компьютерная версия
Издание второе, переработанное и дополненное
Челябинск
2006

Федеральное агентство по образованию
Государственное образовательное учреждение высшего профессионального образования
Южно-Уральский государственный университет
Кафедра «Технология машиностроения»
621.9 (07)
П 542
З.И. Поляков, В.М. Исаков, Д.В. Исаков, В.Ю. Шамин
ЭЛЕКТРОФИЗИЧЕСКИЕ И ЭЛЕКТРОХИМИЧЕСКИЕ
МЕТОДЫ ОБРАБОТКИ
Учебное пособие для студентов-заочников
Компьютерная версия
Издание второе, переработанное и дополненное
Челябинск
Издательство ЮУрГУ
2006

УДК 621.9 (07)
Поляков З.И., Исаков В.М., Исаков Д.В., Шамин В.Ю. Электрофизические и электрохимические методы обработки: Учебное пособие для студентов-заочников.
Компьютерная версия. — 2-е изд., перер. и доп. — Челябинск: ЮУрГУ, 2006. —
89 с.
© З.И. Поляков и др., 1986. — Изд-во Челябинского политехнического инсти- тута имени Ленинского комсомола.
Учебное пособие содержит комплекс сведений об электрофизических и элек- трохимических методах обработки, применяемых в машиностроении. Рассмотрены важнейшие закономерности этих методов, приведены их технологические характе- ристики и описаны типовые технологические процессы.
Ил. 53 , табл. 8, список лит. — 8 назв.
Одобрено учебно-методической комиссией механико-технологического фа- культета.
Рецензенты: кандидат техн. наук, проф. А.К. Ольховацкий, кандидат техн. наук, проф. М.Л. Гельфонд.
©
Издательство ЮУрГУ, 2006.

3
ОГЛАВЛЕНИЕ
Введение . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 5
1. Электроэрозионная обработка материалов . . . . . . . . . 6
1.1 Основные понятия . . . . . . . . . . . . . . . . . . 6
1.2 Протекание электрического разряда в диэлектрической
жидкой среде . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 8
1.3 Генераторы импульсов . . . . . . . . . . . . . . . . 9
1.4 Форма и параметры импульсов . . . . . . . . . . . . . 10
1.5 Электрические параметры электроэрозионного процесса . 12
1.6 Электроискровая и электроимпульсная обработка. Прямая
и обратная полярность подключения электродов . . . . 13
1.7 Классификация импульсов по признаку прохождения через
межэлектродный промежуток . . . . . . . . . . . . . . 13
1.8 Эрозионная обрабатываемость материалов. Критерий
Палатника . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 14
1.9 Полярный эффект. Относительный износ электродов . . . 15
1.10 Технологические характеристики электроэрозионной
обработки . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 15
1.10.1 Производительность процесса . . . . . . . . . . . 15
1.10.2 Качество обработанной поверхности . . . . . . . . 17
1.10.3 Точность электроэрозионной обработки деталей . . . 19
1.11 Термохимические процессы в межэлектродном промежутке 20
1.12 Гидродинамические процессы, происходящие в
межэлектродном промежутке в результате электрических
разрядов . . . . . . . . . . . . . . .. . . . . . . 21
1.13 Способы интенсификации процесса эвакуации продуктов
эрозии из зоны обработки . . . . . . . . . . . . . . 22
1.14 Рабочие среды . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 23
1.15 Электрод-инструмент . . . . . . . . . . . . . . . . 24
1.16 Оборудование . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 26
1.17 Технологические процессы изготовления типовых
поверхностей и деталей . . . . . . . . . . . . . . . 29
2. Электрохимические методы обработки металлов . . . . . . . 31
2.1 Общие сведения . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 31
2.2 Физико-химические процессы на электродах и электролите 31
2.3 Технологические характеристики анодно-гидравлического
процесса . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 37
2.3.1 Скорость анодного растворения . . . . . . . . . . . 37
2.3.2 Точность анодно-гидравлической обработки . . . . . 38
2.3.3 Качество поверхности . . . . . . . . . . . . . . . 41
2.3.4 Электрические режимы анодно-гидравлической обработки 42
2.3.5 Станки для электрохимической размерной обработки . 43

4
2.4 Область применения и основные преимущества
анодно-гидравлической обработки . . . . . . . . . . . 46
2.5 Особенности процесса электрохимикомеханической
обработки . . . . .. . . . . . . . . . . . . . . . . 47
2.6 Электроалмазное шлифование . . . . . . . . . . . . . 48
2.7 Алмазно-абразивная электрохимическая обработка
электронейтральным инструментом . . . . . . . . . . . 51
3. Лазерные технологии, применяемые в машиностроении . 52
3.1 Общие сведения о лазерах . . . . . . . . . . . . . 52
3.2 Принцип работы лазеров . . . . . . . . . . . . . . . 53
3.3 Основные свойства лазерного излучения . . . . . . . . 56
3.4 Промышленные лазерно-технологические системы
(комплексы), применяемые для обработки материалов 56
3.5 Лазерная резка материалов
. . . . . . . . . . . . . . 58
3.5.1 Физические процессы при лазерной резке металлов
и сплавов . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 59
3.5.2 Практика проведения лазерной резки материалов . . . 60
3.5.3 Лазерная обработка отверстий . . . . . . . . . . . . 62
3.6 Лазерная сварка . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 63
3.7 Лазерная маркировка . . . . . . . . . . . . . . . . . 64
4. Ультразвуковые методы обработки . . . . . . . . . . . . . 64
4.1 Физические основы ультразвуковых колебаний . . . . . . 64
4.2 Источники ультразвуковых колебаний и основы их расчета 75
4.3 Применение ультразвуковых колебаний в машиностроении . 81
4.3.1 Обработка направленным абразивом . . . . . . . . . . 81
4.3.2 Ультразвуковая обработка с абразивонесущим
электролитом . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 86
4.3.3 Обработка свободным абразивом . . . . . . . . . . . 87
4.3.4 Резание с наложением ультразвуковых колебаний на
режущий инструмент . . . . . . . . . . . . . . . . . 87
4.3.5 Ультразвуковая очистка . . . . . . . . . . . . . . . 87
4.3.6 Ультразвуковая дефектоскопия . . . . . . . . . . . . 88
Литература . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 89

5
Введение
Современная технология механической обработки конструкционных ма- териалов достигла значительных результатов, а выпускаемые металлорежущие станки — высокой степени совершенства и высокой производительности, что позволяет с успехом решать разнообразные и сложные задачи.
Однако, стремительный прогресс авиационной, ракетной, атомной и электронной техники, газотурбостроения, инструментального производства и приборостроения вызвал необходимость в применении материалов, механиче- ская обработка которых может быть осуществлена лишь с большим трудом или вообще не возможна. Это материалы с очень высокой твердостью (вольфрамо- и титанокарбидные твердые сплавы, алмазы, магнитные сплавы, закаленные стали), хрупкостью (керамика, кварц, стекло, ферриты), вязкостью (нержавею- щие и жаропрочные стали), а также материалы, обладающие магнитными свой- ствами. Особые трудности возникают при фасонной обработке таких материа- лов, когда в них необходимо получить пазы, узкие щели, полости и глухие от- верстия сложной формы.
Острая необходимость эффективно обрабатывать детали сложной формы из материалов труднообрабатываемых резанием предопределила возникнове- ние ряда новых методов. К ним относятся электрофизические и электрохимиче- ские методы обработки.
Под электрофизическими и электрохимическими методами размерной обработки понимается совокупность электрических, электрохимических, элек- тромагнитных и ядерных процессов воздействия на твердое тело для придания ему заданной формы и размеров. Эти процессы действуют в различных сочета- ниях с тепловыми, механическими и химическими процессами.
Разнообразие составляющих электротехнологию методов обработки ма- териалов, а так же комплексность большинства методов затрудняет осуществ- ление единой классификации, однозначно определяющей положение каждого метода в ряду других и их взаимосвязь. В таблице 1.1 (см. с. 6) приведена клас- сификация основных методов электрофизических и электрохимических мето- дов обработки по признакам использования при обработке электрических раз- рядов, ультразвуковых колебаний, энергии светового потока или химических процессов.
Большой вклад в развитие электрофизических и электрохимических ме- тодов обработки внесли отечественные ученые. Так, анодно-гидравлическая обработка впервые была предложена Л.А. Гусевым в 1928 году. Электроискро- вая обработка открыта Б.Р. Лазаренко и Н.И. Лазаренко была предложена в
1943 году, а советские физики Н.Г. Басов и А.М. Прохоров вместе с американ- ским ученым Ч. Таунсом, за выдающиеся работы по созданию оптических квантовых генераторов были удостоены Нобелевской премии.
В настоящее время электрофизические и электрохимические методы об- работки широко используются в различных областях промышленности и по- стоянно развиваются и совершенствуются. Основные направления в развитии методов электротехнологии — повышение точности и производительности об-

6
работки, снижение энергоемкости процессов, поиск новых областей примене- ния и совершенствования оборудования с целью автоматизации процессов об- работки.
Таблица 1.1
Классификация электрофизических и электрохимических методов обработки
Электрофизические и электрохимические методы обработки
Электрофизические методы
Электроэрозионная обработка
Лучевая обработка
Ультразвуковая обработка
Электрохими- ческие методы электроискровая электроимпульсная электроконтактная анодно
-механическая светолуч евая электроннолучевая свободным абразив ом направленным абразивом с абразив онесущим элек
- тр олитом резание с
наложением ультразвуковых колебаний анодно
-гидравлическая электрохимико
- механи ческая
1. Электроэрозионная обработка материалов
1.1 Основные понятия
Электрическая эрозия — это разрушение поверхности токопроводящих материалов под действием электрических разрядов. Наглядным примером элек- трической эрозии может служить разрушение контактов выключателей, ру- бильников и реле при разрыве электрических цепей.
Явление электрической эрозии было открыто Пристоли в 1768 году. С этого времени и до середины сороковых годов прошлого столетия это явление в технике рассматривалось, главным образом, как вредное — сокращающее срок службы и надежность электрических устройств.
В 1943 году наши соотечественники Б.Р. Лазаренко и Н.И. Лазаренко предложили использовать электрическую эрозию для размерной обработки де- талей. Схема разработанной ими установки показана на рис. 1.1 (см. с. 7).
Два электрода, один из которых является заготовкой 5 (анод), а другой электрод — инструмент 3 (катод) помещены в ванну с диэлектрической жидко- стью 4 (индустриальное масло, керосин, вода и т.п.) и подключены к генерато- ру импульсов (RC-генератор). В качестве генератора импульсов служит батарея конденсаторов 2, заряженных от источника постоянного тока. Время зарядки конденсаторов регулируется реостатом 1.

7
При разведенных друг от друга электродах в промежутке между ними об- разуется электрическое поле. Величина напряженности этого поля обратно пропорциональна расстоянию между электродами. Если расстояние достаточно большое, то пробоя диэлектрической жидкости не происходит. По мере сбли- жения электродов напряженность возрас- тает и при определенном межэлектродном промежутке происходит пробой. Возника- ет электрический разряд, под действием которого происходит разрушение участ- ков электродов. Разрушение происходит в результате теплового действия разряда. В месте пробоя на поверхностях электродов выплавляется металл, образуются лунки.
В это время конденсатор разряжается, а после прохождения разряда, сно- ва заряжается и процесс повторяется. После прохождения большой серии раз- рядов на поверхности заготовки образуется полость, имеющая форму обратную форме электрода-инструмента. Перед обработкой металлов резанием метод электроэрозионной обработки обладает рядом преимуществ, главными из кото- рых являются следующие:
1. Производительность процесса электроэрозионной обработки не зави- сит от механических характеристик обрабатываемого материала, его твердости, прочности, вязкости и хрупкости;
2. Силовое воздействие на заготовку в процессе электроэрозионной об- работки не значительно по сравнению с силами резания, действующими на за- готовку при механической обработке;
3. Схемы формообразования, применяемые при электроэрозионной об- работке, принципиально отличаются от тех, которые применяют при обработке деталей на металлорежущих станках.
На универсальных электроэрозионных станках применяют, в основном, две технологические схемы формообразования поверхностей деталей (рис. 1.2, см. с. 8).
1. Копирование — эта схема аналогична штамповке. В отличие от штам- повки, при которой форма образуется за счет пластического оттеснения метал- ла, при электроэрозионной обработке полость формируется путем расплавле- ния частичек металла. На рис. 1.2 a показана схема копирования.
Заготовка 1 устанавливается на столе станка, а электрод-инструмент 2 перемещается в направлении заготовки. Электроэрозионные станки, которые реализуют такую схему формообразования, называют копировально- прошивочными.
2. Профильная вырезка. Обработка по этой схеме производится непро- филированным электродом-инструментом (обычно тонкой проволокой). Эта схема показана на рис. 1.2 б. Проволока 1 движется с постоянной скоростью, перематываясь с одной катушки на другую. Заготовка 2 устанавливается на
+
-
R
C
S
1 2 3
4 5
Рис. 1.1. Схема установки для электроэрозионной обработки.

8
столе станка и совершает движение в заданном направлении. Станки, реали- зующие такую схему, называются электроэрозионными вырезными станками.
1 2
1 2 а) б)
Рис. 1.2. Схемы формообразования деталей при эрозионной обработке: а) копирование, б) профильная вырезка.
1.2 Протекание электрического разряда
в диэлектрической жидкой среде
Электрический разряд в диэлектрической жидкой среде протекает в опре- деленной последовательности и включает три стадии:
Первая стадия. Подготовка канала сквозной проводимости.
В реальных условиях электроэрозионной обработки в диэлектрической жидкости во взвешенном состоянии всегда находятся мельчайшие токопрово- дящие частицы. В основном это частицы металла оставшихся после предшест- вующих разрядов. При подключенном генераторе импульсов токопроводящие частицы располагаются в межэлектродном промежутке вдоль силовых линий электрического поля (рис. 1.3).
При этом расчетная величина межэ- лектродного зазора S
уменьшается на ве- личину, равную сумме размеров частиц
S
p
= S–
∑S
ч
С уменьшением расстояния между электродами напряженность электриче- ского поля возрастает до величины, при которой происходит пробой диэлектриче- ской жидкости (масленой пленки между частицами). Для электрических жидко- стей, применяемых при электроэрозион- ной обработке, напряженность поля в мо- мент разряда достигает нескольких десятков мегавольт на метр.
Вторая стадия. Пробой диэлектрической жидкости.
В результате электрического разряда происходит ионизация межэлек- тродного промежутка. Образуется канал сквозной проводимости способный пропустить ток большой силы. Канал представляет собой, сравнительно узкое цилиндрической формы пространство, заполненное нагретым веществом
S
S ч э л е к т р о д
- и н с т р у м е н т з а г о т о в к а
Рис. 1.3. Межэлектродный промежуток с расположенными в нем токопроводящими частицами

9
(плазмой), содержащим ионы и электроны. Температура плазмы свыше 5000°С.
Канал является объемным источником тепла. По каналу по направлению к ка- тоду движутся электроны, а по направлению к аноду — ионы. Электроны, имеющие значительно меньшую массу, чем ионы, быстрее достигают поверх- ности катода, чем ионы поверхности анода. За время разряда часть ионов также успевает достигнуть поверхности анода. В результате под действием тепла происходит расплавление и испарение металла 2, который в начальный момент находится в лунках, образовавшихся на поверхностях заготовки 6 и электрода- инструмента 1 (рис. 1.4)
Под действием высокой температуры в зоне канала происходит почти мгновенное ис- парение диэлектрической жидкости 5. Образу- ется газовый пузырь 3.
Давление газов в пузыре достигает 2×10
7
Па, поэтому происходит его расширение в ра- диальном направлении. Скорость расширения может достигать 150…200 м/с
Третья стадия. Прекращение тока, от- рыв ударной волны от газового пузыря, выброс металла из лунок.
В момент, когда давление в канале дос- таточно большое расплавленный металл нахо- дится в лунках, расположенных на поверхностях заготовки и электрода- инструмента. По мере расширения газового пузыря давление внутри него резко падает. Содержащийся в лунках расплавленный металл выбрасывается из лунок в межэлектродный промежуток в жидкую диэлектрическую среду и затвердева- ет в виде мельчайших шариков 4. Обработанная поверхность представляет со- бой хаотически расположенные лунки, покрытые темной пленкой из осевших и спекшихся с металлом мельчайших частиц продуктов высокотемпературного разложения диэлектрической жидкости.

10
мо от того, какие условия сформированы в межэлектродном промежутке. В са- мом общем виде схема такого генератора импульсов (рис. 1.5) содержит источ- ник постоянного тока 1 и коммутатор 2, который с определенной периодично- стью генерирует импульсы определенной формы и с заданными параметрами и подает их на электроды 3 и 4.
Параметры импульсов, оп- ределяющих режим обработки, за- даются оператором. Исходными данными для этого являются усло- вия обработки (требуемая произ- водительность, точность и качест- во поверхности, свойства материа- лов заготовки и электрода- инструмента и др.).
При использовании генера- торов с зависимым генерировани- ем импульсов возможности управ- ления режимами весьма ограничены. Режим обработки устанавливается емко- стью конденсатора, напряжением источника и величиной тока. Такие генерато- ры обладают низким КПД, ограниченной возможностью повышения мощности и невысокой производительностью обработки.
Наибольшее распространение получили генераторы, вырабатывающие импульсы не зависимо от условий в межэлектродном промежутке. На таких ге- нераторах форма импульса напряжения, величина тока, амплитуда, длитель- ность импульса и частота импульсов определяются предварительной настрой- кой коммутатора.
1.4 Форма и параметры импульсов
Импульсные генераторы вырабатывают импульсы различной формы, но одной полярности (униполярные) графики наиболее часто применяемых для электроэрозионной обработки импульсов напряжений и тока показаны на рис. 1.6 (см. с. 11).
Форма импульсов подбирается такой, чтобы при определенных парамет- рах импульса можно было достичь наиболее эффективного использования под- водимой в зону обработки электрической энергии.
Основными параметрами периодических импульсов различной формы являются: длительность импульса t
и
; частота f; период T — величина обратная частоте f
1
Т
= . (1.3) пауза t
п
— промежуток времени меду двумя соседними импульсами; t
U
U t
1 2
3 4
Рис. 1.5 Схема импульсного генератора