Электрические процессы (Лекции или что-то типа. Бехметьев В.И. часть 1)

ЭЛЕКТРИЧЕСКИЕ ПРОЦЕССЫ

Такие процессы, как электроконтактный и электроэрозионный, применяют для изготовления деталей из токопроводящих полуфабрикатов и жаропрочных, нержавеющих, высоколегированных и закаленных сталей, титановых и других сплавов, трудно поддающихся обработке резанием.

Электроконтактная обработка основана на том, что проходящий через место контакта инструмента и полуфабриката электрический ток разогревает, размягчает и плавит металл, облегчая удаление последнего из зоны обработки. Для предотвращения плавления инструмента ему придают большую скорость переме­щения, либо применяют искусственное охлаждение. Обработка производится преимущественно на переменном токе 100 ... 1200 А при напряжении 36 В в воздушной среде или водной суспензии каолина. Удельное давление инструмента (например, диска, вращающегося с окружной скоростью 15 ... 20 м/с) на полуфабрикат 20 ... 100 кПа (0,2 ... 1 кгс/см²), интенсивность съема металла 1000... 5000 мм/мин, шероховатость поверхности 1 ... 3-й класс. С увеличением производительности снижается класс шероховатости поверхности и увеличивается глубина термического изменения металла в зоне обработки.

Рис.1.

Принципиальные схемы вырезки заготовок из пакета листов (карточек) электроэрозионным методом: а - релаксационная (конденсаторная) схема электроискровой одноконтурной вырезки; б – схема электроимпульсной многоконтурной вырезки с питанием от низко частотного (400 имп/с) машинного генератора униполярных импульсов типа МГИ-2М или МГИ-3М, С1, С2, С3 – секции конденсаторных батарей; - токоограничивающие сопротивления; 1 – электрододержатель; 2 – электрод-инструмент; 3 – боковой межэлектродный зазор; 4 – пакет листов (карточек); 5 – ванна с жидкостью; 6 – отстойник; 7 – фильтр; 8 – насос; 9 – твердый выпрямитель; 10 – регулятор подачи.

Электроконтактную обработку применяют взамен обточки, фрезерования, шлифования, а также для упрочнения поверхностей и нанесения металлических покрытий наплавкой.

Электроэрозионная обработка заключается в последовательном разрушении металла на небольших участках находящегося в жидкой среде полуфабриката под действием импульсного электрического разряда. Форма и размеры разрушенного участка одного электрода воспроизводят форму и размеры другого, что и используется для направленной размерной обработки. Продукты разрушения ударной волной выбрасываются в межэлектродное пространство.

Электрический разряд состоит из неравновесной искровой и равновесной дуговой стадий. При импульсах малой длительности с превалирующей искровой стадией анод вследствие локального испарения (спокойного или взрывного) разрушается больше, чем катод. При длительных импульсах преобладает дуговая стадия и процесс эрозии катода (путем локального плавления) происходит более интенсивно, чем анода при искровой стадии разряда. В соответствии с этим электроэрозионную обработку можно разделить на две разновидности: электроискровую и электроимпульсную или импульсно-дуговую (рис., 6.25).

Электроискровую обработку ведут в минеральном масле (индустриальном «12», трансформаторном и др.), или керосине при регламентированных диапазонах величин напряжения, силы тока и емкости; меньшие в диапазонах значения соответствуют мягким режимам, обеспечивающим в случае весьма малой длительности разряда (10~⁷ ... 10~⁶ с) получение поверхностей с шероховатостью 8 ... 10-го класса, а большие— жестким режимам с максимальной интенсивностью съема металла до 1000 мм/мин и шероховатостью обрабатываемых поверхностей не выше 3-го класса.

Электроискровую обработку применяют для получения точных внешних и внутренних контуров, узких щелей и отверстий небольшого диаметра с прямой и криволинейной осью в деталях из высокопрочных любой твердости электропроводных материалов.

Особой областью электроискровой обработки является упрочнение поверхностей, где ее используют не для удаления металла заготовки, а для теплового воздействия на поверхность и перенесения на нее материала электрода. При этом жидкая среда отсутствует: анодом служит инструмент, материал которого выбирают исходя из наличия в нем элементов, необходимых для упрочнения поверхности.

Для предотвращения травматизма при работе на электроискровых установках запрещается проводить какие бы то ни было наладки станка под током. По окончании работы конденсаторы необходимо разрядить.

Электроимпульсная обработка более производительна (объем удаляемого металла до 5000 ... 10 000 мм/мин), но шероховатость получаемых поверхностей при этом не превышает 1 ... 3-го классов.

Применяют электроимпульсную обработку для получения фасонных полостей в крупных стальных заготовках, внутренних" соединительных каналов в деталях гидроаппаратуры и т. п.

Пакеты листов из жаропрочных сплавов и нержавеющих ста­лей разделяют на заготовки и детали с большим периметром электроимпульсным способом по многоконтурной схеме, состоящей из нескольких контуров. Электрические режимы при одновременной работе всех контуров поддерживаются одной следящей системой. Толщина пакета ограничена. С увеличением толщины его затрудняется удаление продуктов эрозии из зоны обработки и уменьшается интенсивность съема металла. Для вырезных работ применяют инструмент из медной ленты определенных размеров. Электроимпульсную обработку можно использовать для вырезных работ по копиру тонким медным или вольфрамовым проволочным электродом, перематывающимся в процессе обработки с одной катушки на другую.

Точность электроэрозионной обработки заготовок зависит от точности установки электрода-инструмента и электрических режимов, которыми определяется межэлектродный зазор, образующийся в процессе обработки между инструментом и заготовкой. Размеры инструмента выбирают с учетом бокового зазора между инструментом и обрабатываемой поверхностью, который в зависимости от режима обработки и жидкой среды составляет 0,008 ... 0,75 мм.

Характерный недостаток электроэрозионной обработки — неравномерный износ инструмента, особенно небольшой толщины. Поэтому точные поверхности обрабатывают в два прохода: пер­вый на жестком режиме, а второй — на мягком, применяя или один комбинированный электрод, или два с разными размерами, Электроды соответствующего профиля изготовляют из меди, латуни, чугуна или меднографитовой массы. Электроды из медно-графитовой массы имеют большую стойкость и в несколько раз меньшую трудоемкость в изготовлении по сравнению с электродами из других материалов.

ЭЛЕКТРОХИМИЧЕСКИЕ ПРОЦЕССЫ

Из электрохимических процессов в самолетостроении находят применение анодно-механический и анодно-гидравлический.

Анодно-механическая обработка — метод направленного раз­рушения металла заключается в совместном электрохимическом и термическом действии тока напряжением 10 ... 30 В, протекающего между электродами 1 и 3 (рис.2), которые находятся в среде 2 водного раствора жидкого стекла, в сочетании с механи­ческим воздействием электрода-инструмента на обрабатываемую поверхность. При протекании тока через электролит на поверхности заготовки образуется окисная пленка, обладающая большим электрическим сопротивлением. Непрерывно перемещающийся инструмент (диск, бесконечная лента) разрушает и удаляет пленку с неровностей обрабатываемой поверхности. Процесс снятия пленки сочетается с непрерывным ее ростом. В местах, где пленка тоньше или совсем разрушена, под действием тока резко возрастает температура, металл расплавляется и выбрасывается быстро перемещающимся инструментом.

При удельном давлении 50 ... 100 кПа (0,5 ... 1,0 кгс/см²) инструмента на полуфабрикат и плотности тока 1 ... 6 А/см² (10 ... 60 кА/м²) металл снимается в основном путем механического удаления продуктов электрохимического окисления. В этом случае интенсивность съема металла небольшая, но поверхность получается высокого (6 ... 8) класса шероховатости. С увеличением плотности тока и давления инструмента на заготовку растет производительность, но снижается класс шероховатости обрабатываемой поверхности, так как металл в зоне обработки разрушается преимущественно вследствие расплавления.

Рис.2.

Схема анодно-механической обработки: а – вращающимся инструментом; б – вибрирующим инструментом.

Анодно-механическую обработку плоских поверхностей и поверхностей вращения выполняют вращающимся электродом-инструментом (рис. 2а), часто помещая заго­товку с инструментом в ванну с электролитом вместо подачи электролита через сопло. При обработке фасонных поверхностей инструменту сообщают вибрирующие движения в вертикальном направлении (см. рис. 2б). Электролит подается через сопло или полый инструмент.

Анодно-механическую резку полуфабрикатов производят при следующих режимах: напряжение 20 … 30 В, сила тока 20 .... 600 А, плотность тока 7 ... 500 А/см² (0,07 ... 5 мА/м²), скорость перемещения инструмента 10 ... 25 м/с при его удельном давление на заготовку 50 ... 200 кПа (0,5 ... 2,0 кгс/см²). Интенсивность съема металла на указанных режимах 2 ... 10 см/мин, а шероховатость поверхности 2 ... 4-го класса. В качестве инструмента на отрезном станке 4820 применен диск из малоуглеродистой стали диаметром 280 ... 350 мм и толщиной 0,8 ... 2 мм, а на ленточных разрезных станках 4822 и 4823—бесконечная стальная лента толщиной 0,8... 1,2 мм и шириной 30 ... 40 мм. Станки 4820, 4822 и 4823 позволяют разрезать на заготовки полуфабрикаты с наибольшими размерами сечения соответственно 75х75, 300х600 и 600х600 мм.

Анодно-механическую резку экономически целесообразно применять для высокопрочных токопроводящих материалов. Например, при анодно-механической резке жаропрочных и коррозионно-стойких сталей производительность в 2 ... 3 раза выше, чем при разделении их на заготовки резанием. Для материалов небольшой прочности она целесообразна, когда затруднительна обработка резанием: вырезка заготовок и деталей из тонкостенных полуфабрикатов, не допускающих приложения значительных усилий.

К недостаткам анодно-механической обработки следует отнести воздействие электролита на поверхности заготовок и деталей и вредность выделяемых испарений. Это вызывает необходимость последующей нейтрализации деталей в содовом растворе и снабжения анодно-механических станков индивидуальным отсосом.

Анодно-гидравлическая обработка — метод размерной обработки (рис.3.), основан на анодном растворении металлов в результате электролиза при малом напряжении (12 В) и большой силе, тока. Продукты растворения удаляются из зоны обработки электролитом, который под давлением прокачивается через межэлектродный зазор. Электролитом также отводится тепло, выделяющееся при электролизе. Межэлектродный зазор (0,1 ... 0,5 мм) в направлении перемещения инструмента в процессе обработки поддерживается постоянным с помощью следящей системы.

Рис.3.

Схема анодно-гидравлической обработки: 1 – обрабатываемая заготовка; 2 – инструмент.

Анодно-гидравлический метод позволяет получать фасонные поверхности из высокопрочных металлов, обеспечивает высокое качество обрабатываемой поверхности и скорость удаления металла, являющуюся функцией плотности тока, до 0,5 мм/мин. Введение сжатого газа (например, углекислого) в электролит повышает класс шероховатости поверхности (до 7 ... 8-го класса), точность и стабильность обработки (предотвращает искрообразование).

В качестве электролита для обработки стали, никеля и жаро­прочных сплавов на его основе используют 20 %-ный раствор NaCl.

Электрохимическое полирование состоит также в анодном растворении металла заготовки, помещенной в электролитную ванну. Образующаяся при этом на поверхности заготовки вязкая пленка солей защищает от действия тока микровпадины, не препятствуя растворению гребешков, в результате чего поверхность сглаживается.

Шероховатость поверхности после электрохимического полирования зависит от шероховатости ее до полирования. Для получения шероховатости поверхности 7 ... 8-го классов необходимо, чтобы до полирования она имела шероховатость не ниже 4-го класса.

Электрохимическое полирование — высокопроизводительный и технологически простой процесс — заменяет трудоемкое и тяжелое ручное полирование, но недостаточно освоен. На протекание процесса и его результаты оказывают большое влияние химический состав сплава, его структура и другие факторы.