Ушаков_ТПЭВМ (562162), страница 12
Текст из файла (страница 12)
ТИПОВЫЕ ТЕХНОЛОГИЧЕСКИЕ ПРОЦЕССЫ ИЗГОТОВЛЕНИЯ И МОНТАЖА ЭЛЕМЕНТОВ ЭВМ
ГЛАВА 9
ЭЛЕКТРОФИЗИЧЕСКИЕ И ЭЛЕКТРОХИМИЧЕСКИЕ МЕТОДЫ РАЗМЕРНОЙ ОБРАБОТКИ
9.1. Электроэрозионные методы обработки
Под электрофизическими и электрохимическими методами размерной обработки понимают совокупность различных воздействии (электрических, электрохимических и др.) на обрабатываемую деталь для придания ей заданной формы и размеров. Эти методы можно разделить на четыре группы: электроэрозионные, лучевые, ультразвуковые и электрохимические. К новым электрофизическим методам относятся плазменная обработка, формование в магнитном поле и др.
Электрофизические и электрохимические методы обработки позволяют решать важные задачи, связанные с производством современных вычислительных машин. Особенно большое значение они имеют для изготовления изделий из материалов высокой твердости, обработка которых обычными методами невозможна или крайне затруднительна. К таким материалам относятся ферриты, германий, кремний, алмазы, рубины, кварц, твердые сплавы, керамика и др.
Основным преимуществом электрофизических и электрохимических методов обработки по сравнению с методами механической обработки является возможность копирования формы инструмента сразу по всей поверхности при простом поступательном перемещении инструмента, вследствие чего процесс обработки легко автоматизируется. Это дает возможность применить многостаночное обслуживание. Для всех методов обработки (кроме ультразвуковых) производительность не зависит от твердости и вязкости обрабатываемого материала и обработка осуществляется практически без силового воздействия на обрабатываемое изделие.
Электроэрозионные методы обработки применяют для всех токопроводящих материалов. Эти методы основаны на явлении электрической эрозии, т. е. разрушении поверхности электродов электрическим разрядом, проходящим между ними. Разрушение материала происходит путем его оплавления с последующим выбросом из рабочей зоны в виде парожидкостной смеси. Основными методами электроэрозионной обработки являются электроискровая и анодно-механическая. Для этих методов характерны наличие жидкой диэлектрической среды между электродами и подача энергии в форме импульсов. Жидкая среда повышает эффективность разрушения металла и является средством эвакуации продуктов эрозии из зоны обработки.
Электроэрозионные методы различают в зависимости от формы и параметров импульсов тока и напряжения, а также метода генерирования импульсов. Импульсы тока и напряжения могут иметь униполярную, знакопеременную и другие формы. Основными параметрами импульсов являются их длительность ti и скважность q. По длительности импульсы делят на короткие (ti<10-4с),средние (ti=10-4…10-3 с) и длинные (ti>10-3 с).
Скважностью импульса q называют отношение периода импульса Т к его длительности tu:
q=T/ti
Метод электроискровой обработки. Метод, предложенный Б. Р.Лазаренко и Н. И. Лазаренко основан на использовании импульсных искровых разрядов малой длительности (до нескольких сотен микросекунд) и большой скважности (q>8). Обработка может осуществляться методом копирования формы электрода инструмента и непрофилированным электродом. Обработка методом копирования производится при поступательном движении одного из электродов и неподвижно закрепленном втором электроде, при этом форма электрода-инструмента копируется деталью (рис. 9.1).
Обрабатываемая деталь 1 и инструмент 3 включаются в цепь электрического колебательного контура, работающего в области искрового разряда. Схема имеет два контура: зарядный и разрядный. Зарядный контур состоит из сопротивления R, конденсатора С и проводящих проводов; разрядный контур — из конденсатора, проводящих проводов и рабочих электродов: изделия 1 (анод) и инструмента 3 (катод). Изделие помещается в ванну с рабочей жидкостью 2 (керосин, трансформаторное масло и др.). Сила тока регулируется сопротивлением R. Конденсатор С заряжается от источника постоянного тока 4. Напряжение на электродах при этом увеличивается, так как они подключены параллельно конденсатору. При напряжении, равном величине пробоя, происходит разряд конденсатора через межэлектродный промежуток и энергия, накопленная конденсатором, мгновенно выделяется в процессе разряда.
Искровой разряд протекает в миллионные доли секунды и практически не нагревает обрабатываемое изделие. Так как место приложения импульсов строго определено, то обработку можно производить в намеченном месте.
При прохождении искрового разряда в жидкости возникают гидравлические явления и газообразования, создающие взрывной эффект, который способствует удалению из межэлектродного промежутка разрушенного разрядом металла. Источником питания служат обычно генераторы постоянного тока напряжением 30 ... 220 В, создающие силу тока зарядного контура в пределах
I ... 5 А. Сила тока в разрядном контуре достигает 100 А и выше. Время зарядки лежит в пределах 10~3 с, а время разрядки — в пределах 10~5 ... 10~8 с.
Основная часть энергии, получаемой при разрядке конденсаторов, выделяется в виде теплоты (температура доходит до 11 000°С). При этом теплота расходуется на испарение и плавление металла и лишь небольшая ее часть поглощается электродами.
Последовательное действие разрядов, вызывающих электрическую эрозию, приводит к образованию в изделии выемки, представляющей собой как бы отпечаток электрода инструмента. Во время работы разрядного контура вследствие эрозионного разрушения металла зазор между электродами постоянно увеличивается. В какой-то момент времени зазор возрастает настолько, что разряд не возникает и съем металла прекращается. Для обеспечения непрерывности процесса станки для электроискровой обработки снабжаются регуляторами, автоматически меняющими положение одного из электродов и регулирующими подачу.
Производительность процесса электроискровой обработки зависит от частоты, с которой будут следовать разряды, и от количества металла, выбрасываемого при каждом разряде.
Большое влияние на производительность оказывает материал электрода. Основным требованиям, предъявляемым к материалу, является высокая эрозионная устойчивость. Этим требованиям лучше всего отвечают латунь ЛС59-1, красная медь и медно-угольная композиция. Форма электрода подобна форме прошиваемого отверстия, но размеры его меньше размеров отверстия.
Метод электроискровой обработки непрофилированным (проволочным) электродом (рис. 9.2). Электрод-проволока 2 диаметром 0,02 ... 0,5 мм перематывается при определенном натяжении с подающей катушки 1 на приемную 5, прорезая (в результате электроэрозионного процесса) помещенную на ее пути обрабатываемую деталь 3. Направляя движение детали в двух взаимно перпендикулярных направлениях, можно вырезать любой заданный контур. Траектория обрабатывающего электрода-проволоки относительно детали задается копиром, имеющим соответствующие размеры. Для улучшения условий удаления продуктов эрозии проволока натянута в вертикальном направлении. В заготовке предусматривается технологическое отверстие 4.
В качестве материала проволоки применяют медь, а при диаметре менее 0,05 мм — вольфрам, так как прочность медной проволоки в этом случае недостаточна. Диаметр проволоки определяется требуемой шириной реза, значение которого складывается из диаметра проволоки и удвоенного значения зазора, который берется от 0,075 до 0,015 мм на сторону. В качестве рабочей жидкости применяют чистый керосин.
Основное достоинство такого способа — возможность полной автоматизации процесса на станках с ЧПУ.
Анодно-механическая обработка (рис. 9.3). Этот метод предложен В. Н. Гусевым в 1943 г. Он основан на использовании комбинированного процесса анодного растворения и эрозионного воздействия на обрабатываемую деталь. При грубых режимах доминирует электроэрозионный процесс, за счет которого и осуществляется съем металла.
Обрабатываемая деталь 1 включается в цепь постоянного тока в качестве анода, а рабочий инструмент 3 (диск, лента, проволока)— в качестве катода. Источником питания является генератор постоянного тока 4. Межэлектродное пространство заполняют рабочей жидкостью 2 (обычно водным раствором жидкого стекла). Под действием постоянного напряжения (22 ... 26 В) на поверхности детали образуется силикатная пленка 5, имеющая повышенное электрическое сопротивление и исключающая замыкание электродов. Снятие пленки движущимися инструментами вызывает электротермическую эрозию обрабатываемого материала.
Наиболее целесообразно анодно-механическую обработку применять для разрезания твердых материалов, для наружного и внутреннего шлифования и заточки режущего инструмента из твердых сплавов.
9.2. Лучевые методы обработки
Особенностью лучевых методов обработки является отсутствие рабочего инструмента, роль которого выполняет непосредственно луч. Лучевые методы обработки особенно целесообразны для получения отверстий небольших размеров, так как изготовление инструмента в этих случаях очень трудоемко. Он быстро выходит из строя вследствие поломки, а при точных размерах изделия — из-за износа. Основными разновидностями лучевой обработки являются электронно-лучевая и светолучевая.
Электронно-лучевая обработка. Она основана на использовании теплоты, выделяющейся при резком торможении потока электронов поверхностью обрабатываемого изделия. При этом кинетическая энергия электронов преобразуется в тепловую и только незначительная часть (0,1 ... 3%) — в рентгеновское излучение.
Чем выше кинетическая энергия потока электронов и чем меньше площадь, на которой она сосредоточена, тем быстрее происходит нагрев.
В качестве источника свободных электронов (термокатода) используют металлическую проволоку (вольфрам, тантал и пр.), нагретую до высокой температуры в глубоком вакууме.
В этих условиях электроны не испытывают столкновений с молекулами воздуха и друг с другом. При этом вся энергия, получаемая отдельными электронами, затрачивается на придание электрону определенной скорости. Количество электронов, испускаемых термокатодом, зависит от температуры нагрева и его материала.
Электроны сжимаются и формируются в узкий луч с высокой концентрацией энергии при помощи магнитных линз, представляющих собой катушки специальной формы.
Частоту и длительность импульсов подбирают таким образом, чтобы материал находился под воздействием электронного луча в течение очень малого промежутка времени. В этом случае луч будет расплавлять материал в ограниченной зоне, не вызывая резкого повышения температуры обрабатываемого материала в близко расположенной области.
Толщина слоя вещества, в котором электрон полностью теряет свою скорость, называется пробегом электрона. Глубина проникновения электрона зависит от значения ускоряющего напряжения. Проникающий в материал электрон теряет энергию не сразу, а в процессе многочисленных соударений с решеткой, в результате этих столкновений меняются скорости и направление движения электронов. Потеря энергии электронами максимальна на некотором расстоянии от поверхности материала. Наиболее интенсивное выделение теплоты наблюдается на глубине пробега электрона. На рис. 9.4 показана схема установки для обработки и сварки с помощью электронного луча. Источником электронов является катод /, помещенный в формирующий электрод 2. При нагреве катода с его поверхности излучаются электроны, которые под воздействием электрического поля, создаваемого высокой разностью потенциалов между анодом 3 и катодом, приобретают высокую скорость и направляются в фокусирующую катушку 4. С помощью отклоняющей катушки 5 луч можно перемещать по поверхности детали 6, установленной на столе 7. Оптическая система наблюдения состоит из зеркала 8 и микроскопа 9.
Если система, отклоняющая луч, не работает, а изделие стоит неподвижно, то луч выполняет роль сверла.
Обработка осуществляется лучом малого диаметра (1 ... 10 мкм) при плотности энергии 107 ... 109 Вт/см2. Длительность импульса составляет 10~2 ... 10~5 с. Электронный луч оказывает очень небольшое давление (~1 Па) на поверхность, а температура в месте воздействия луча достигает 8000°С. При этом металл мгновенно испаряется.
Электронно-лучевая обработка применима для всех материалов (металлов, ферритов, стекла, алмазов, графитов и др.). Благодаря малому времени воздействия теплоты термическое влияние на периферийные области незначительно. Недостатком метода является сложность установки из-за необходимости иметь вакуумную камеру.