Электротехнологические методы обработки

ВВЕДЕНИЕ 

Человечество подвергает окружающий мир изменениям со времен зарождения самого

понятия человек. На протяжении веков методы обработки становились  все совершеннее, однако развитие и  улучшение старых материалов и появление  совершенно новых материалов так же шло непрерывно. К концу первой мировой войны механические способы обработки уже плохо справлялись с обработкой особо прочных материалов или же качество обработки оставляло желать лучшего. Появление и развитие электрических методов разработки разрешило многие проблемы по обработке материалов в то время и успешно решает не малую часть проблем с новыми материалами, которые возникают сегодня.

В чем же заключается  секрет производительности, качества выполняемых деталей и многообразия решаемых этими методами задач. Курсом лекций по основам электротехнологий был вызван интерес к этой теме, и мною было принято решение изучить подробнее современные методы обработки материалов, а в качестве непосредственной темы для выпускной квалификационной работы была выбрана тема, связанная с электродинамическими методами обработки.

Электродинамические методы, на мой взгляд, интересны своеобразным симбиозом электрических и механических воздействий на обрабатываемую деталь. Поэтому мною была поставлена цель- изучить непосредственно реализацию этого симбиоза в промышленном исполнении, начиная с теоретических и физических основ, без которых не может быть полноценного изучения никакого явления, и заканчивая непосредственной инженерной реализацией процессов, которые лежат в основе электродинамической обработки материалов.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

1 КРАТКАЯ ИСТОРИЧЕСКАЯ  СПРАВКА

Электродинамическая обработка  берет свое начало с конца XVIII века, когда английским ученым Джоном Пристли  было впервые подробно описано явление  эрозии металлов под действием электрического тока. Он, конечно не первым заметил, что при разрыве электрической цепи в месте разрыва возникает искра, а иногда и более продолжительная полноценная электрическая дуга, которые оказывают сильное разрушающее воздействие на контакты разрываемой цепи. Но именно его описание было самым подробным и его было принято для обозначения процесса, получившего название электроэрозии.

Возникновение искры или дуги во время разрыва электрической  цепи можно постоянно наблюдать  в повседневной жизни и для этого вовсе не обязательно соприкасаться с электрооборудованием на работе. Достаточно просто внимательнее наблюдать за происходящим вокруг нас, ведь мы уже живем в веке, где без электричества совершенно невозможно представить окружающий мир. Так искрение контактов можно наблюдать при случайных размываниях троллейбусного бугеля, трамвайного токосъемника и провода, когда вставляем или вынимаем вилку из розетки, не говоря уже о неисправных электроприборах с которыми сталкивался каждый.

Однако как ни напоминает это явление удар молнии и как ни завораживает оно своей красотой, разрушение контактов является очень серьезной проблемой для всего электрооборудования, не говоря уже об опасности для человека находящегося в непосредственной близости от электрических контактов. Над решением этой проблемы и работали светлые умы Российской империи, затем Советского союза: с 1911 года известный русский химик Е.И. Шпитальский, российские ученые В.Н. Гусев, Б.Р. Лазаренко и  Н.И. Лазаренко, Н.Ф. Казаков, Г.Н. Мещеряков.

Основа  для промышленной электродинамической обработки  материалов была заложена в период с 1939 года до середины 50-х годов. В  это время особенно остро встала уже давно назревавшая проблема обрабатываемости новых конструкторских  материалов, которая встала перед хорошо освоенной механической обработкой вследствие ограничений, накладываемых значительными силами резания и кинематикой процесса. Обработка новых высокотехнологичных материалов чисто механическими способами затруднена, а зачастую вообще невозможна.

Первоначально главной  целью исследований было минимизировать, а в идеале устранить разрушение контактов, чтобы продлить срок и  надежность их работы. С электроэрозией контактов боролись, вернее искали методы борьбы, всеми возможными путями: применяли в качестве электродов самые тугоплавкие материалы, такие как вольфрам, молибден и прочие, пытались уменьшить эрозию, помещая контакты в жидкий диэлектрик – трансформаторное масло, однако эффект оказался совершенно противоположным – разрушение контактов в жидком диэлектрике происходило еще стремительнее. После первых же искр между контактами, помещенными в жидкий диэлектрик, диэлектрик мутнел и, как оказалось после анализа, наполнялся взвесью из мельчайших капель металла. При дальнейших исследованиях был произведен следующий опыт. Электрод-катод небольшого диаметра приближали до соприкосновения с широкой пластиной электрода-анода. Произошло то чего не ожидал никто из присутствовавших при эксперименте – катод прошел сквозь анодную пластину, оставив в последней отверстие, точно повторяющее контур катода-стержня.

Эти наблюдения легли  в основу всей электродинамической  обработки, которая успешно сочетает в себе знания как механической, химической так и электрической  областей человеческих знаний.

В дальнейшем шло непрерывное совершенствование и внедрение уже самостоятельных методов обработки материалов, имеющих, однако, общие корни. Так в ходе примышленного использования и доработки метода электроэрозионной обработки появился метод электроконтактной обработки, который уже не требовал наличия диэлектрика и мог осуществятся на переменном токе. Его разработка относится к концу 50-х годов, а уже в1961 году в ходе исследований  и разработки специальных генераторов импульсов была выделена в отдельный метод электроимпульсная обработка, которая как раз осуществляется с помощью этих генераторов.

Сегодня электродинамическая  обработка позволяет выполнять  операции, которые невозможно осуществить  механической обработкой. Например, прорезание каналов аэродинамического профиля, прошивание отверстий и щелей очень малых размеров, образование соединительных каналов, выполнение разнообразных операций в труднодоступных местах деталей. На сегодня  потеснить электродинамическую обработку  способна лишь обработка лазером.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

2 КЛАССИФИКАЦИЯ МЕТОДОВ ОБРАБОТКИ МАТЕРИАЛОВ

 

2.1 Общая классификация  методов обработки.

Классификация способов обработки материалов осуществляется по следующим признакам:

1. Тип энергии, подводимой в зону обработки. Известны и освоены механическая, электрическая, химическая, тепловая и ядерная энергии. Но в силу  высокой степени опасности, большой стоимости ядерная энергия не используется для обработки материалов.
2. Способ подвода этой самой энергии. Он определяется взаимным расположением заготовки и рабочих поверхностей инструмента в пространстве и характером его изменения во время обработки. Так, например, энергию электрического тока можно подвести к малому участку поверхности путем прямого контакта, через канал разряда или комбинированно. Первый случай характеризуется контактом по микронеровностям поверхности инструмента и заготовки и относится к электроконтактной обработке. Подвод электрического тока через канал разряда может осуществятся используя искровой разряд или дуговой разряд (электроимпульсная обработка). Контакт инструмента также характеризуется формой инструмента, характером протекания его во времени (непрерывный, прерывистый, вибрационный, импульсный).
3. Вид физико-химического механизма, т.е. тот процесс, который играет ведущую роль в обработке материала. Будь то пластическая деформация с последующим вязким или хрупким разрушением, плавление, испарение, анодное растворение, эрозионное разрушение, химическое травление.
4. Схема формообразования. Она определяет кинематику процесса обработки - совокупность движений инструмента и обрабатываемой заготовки, необходимых для получения заданной поверхности.

В нашем случае особый интерес представляют методы, связанные  с непосредственной обработкой материал электрическим током и совместным использованием электрической энергии и силового воздействия. Остановимся на этих методах и изучим их подробнее.

 

2.2 Классификация электрических  методов обработки.

Электрическими называют методы обработки, которые используют электрическую энергию непосредственно  для технологических целей, а не для питания и управления установками как в механической, химической или лучевой обработке. Электрическая энергия подводится непосредственно в зону обработки детали без промежуточного превращения в другие виды энергии, и лишь затем преобразуется в тепловую, химическую прямо в режиме обработки заготовки.

 

 

В соответствии с видами энергии, в которую преобразуется  энергия электрическая, электрические  методы разделяют на:

• Электроэрозионный, осуществляемый посредством импульсного электрического разряда, вызывающего эрозионное разрушение материала. Различают электроимпульсную и электроискровую обработку.
• Электрохимическая обработка осуществляется с помощью постоянного тока низкого напряжения в среде движущихся  электролитов – токопроводящих жидкостей. Материал снимается в результате анодного растворения – преобразования электрической энергии в энергию разрушения химических связей. В результате материал превращается в легко удаляемые из зоны обработки химические соединения.
• Электромеханическая обработка представляет из себя механическое воздействие причиной, которого является электрический ток (электроимпульсная, электромагнитная штамповка).

Существует также множество  комбинированных методов, таких  например как анодно-механическая обработка, которые одновременно используют электрическое, химическое и механическое воздействие на обрабатываемый материал. При этом в зависимости от технологического задания и как следствие режимов обработки решающее значение могут иметь или эрозионное, или химическое, или механическое воздействие на заготовку.

Эти методы, несомненно, интересны и вполне современны, но их изучение не является задачей данной работы, поэтому о них будет  вестись речь лишь в контексте  их взаимодействия с методами электродинамической  обработки или для разъяснения некоторых основополагающих процессов обработки материалов.

 

 

 

Электродинамическая обработка  характеризуется, на сегодняшний день, следующими методами: электроконтактной, электроискровой, электроимпульсной (электрогидравлической) и  электромагнитной  обработки  материалов

Рисунок 1 - Виды электродинамической  обработки.

Все виды электродинамической  обработки объединяет совместное использование  электрического тока и силового воздействие  на заготовку. 

Далее рассмотрим каждый метод электродинамической обработки подробнее.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

3 ЭЛЕКТРОКОНТАКТНАЯ ОБРАБОТКА

 

3.1 Принцип действия станков использующих электроконтактную обработку.

 

В электроконтактной  обработке используется электроэрозионный принцип формообразования. Поэтому есть смысл немного рассказать о самом процессе электроэрозионной обработки т.к. все что относится к процессу электрической эрозии имеет прямое отношение к электроконтактной обработке.

При электроэрозионной обработке  для разрушения слоя металла снимаемого на данном этапе используется электрический разряд, возникающий при прохождении электрического тока через диэлектрическую среду. Сопутствующее электрическому разряду физическое явление, заключающееся в переносе материала электродов и приводящее к разрушению поверхности одного из них (в нашем случае заготовки), называется электрической эрозией.

 

Рисунок 2 - Схема электроэрозионной  обработки.

 

Инструмент и обрабатываемая заготовка включаются в цепь электрического колебательного контура (на рисунке представлена простейшая схема), преобразующего ток в импульсы требуемой мощности и частоты. В начальный момент времени конденсатор накапливает электрическую энергию и затем быстро отдает ее, развивая большую мгновенную мощность. Обкладки конденсатора соединены с инструментом 1 и заготовкой 2. Между ними возникает искровой разряд 3, при этом процесс эрозии имеет ярко выраженный полярный эффект, вследствие которого один электрод (заготовка) разрушается значительно больше другого (инструмента). На поверхности заготовки 2 образуется так называемая лунка 4. Ее образование сопровождается выделением в пространство между электродами, заполненное жидким диэлектриком, частиц расплавленного металла. Одновременно с этим происходит выделение джоулевой теплоты и как следствие возникает газообразование и гидродинамическое явление, способствующее удалению продуктов электроэрозии.

После постепенного разрушения верхнего слоя материала расстояние между  электродами увеличивается. Если не увеличивать напряжение или не сближать электроды то процесс прекратится.

Электроконтактная обработка соединяет  воедино достоинства электроэрозионной  и механической обработок. Она осуществляется путем непосредственного контакта быстродвижущегося инструмента  и заготовки при подведенном в зону контакта электрическом токе большой плотности. Для этого вида обработки используется электрический ток в несколько тысяч ампер при малом напряжении.

Неоспоримым достоинством этого метода кроме высокой производительности является возможность работы на переменном токе на воздухе или в воде без применения специальных электролитов, что автоматически снижает расчетную стоимость как электрооборудования станка так и стоимость его обслуживания, одновременно с этим увеличивается пожаробезопасность оборудования и снижается трудоемкость его обслуживания.

Рисунок 3 - Схема электроконтактной  обработки.

 

На рисунке 3 представлена схема простейшего устройства для  электроконтактной обработки. Напряжение поступает на трансформатор 1 со вторичной обмотки которого переменное напряжение (амплитудой до 40 В) подается на два электрода, которыми в данном случае являются диск 2 из электропроводного материала и листовая заготовка 3. Дисковый электрод-инструмент вращается электродвигателем с частотой . Установка прижимает диск к заготовке с силой   и диск, вращаясь вокруг оси, перемещается также вдоль обрабатываемой поверхности со скоростью подачи .

Пространство между электродами  заполняется непроводящей рабочей  средой, выполняющей функции аналогичные  электроэрозионной обработке и  одновременно выполняя функции охладителя, чтобы избежать излишнего перегрева  обрабатываемой детали и инструмента  электрода.

Электроды одновременно подвергаются механическим и электрическим воздействиям.

 Мощность поступления электрической  энергии равна: 

,                                                                                                (1)

где U и I действующие значения напряжения и тока; - коэффициент мощности.

Мощность поступления  механической энергии:

,                                                                                           (2)

где - момент сопротивления на валу

инструмента-электрода,                                                                                     (3)

      -сила сопротивления,                                                          (4)

       - радиус диска,

       - коэффициент трения между электродами.

Суммарная мощность энергии вводимой в пространство между электродами:

.                                                                 (5)

Часть мощности преобразуется в тепловую мощность, используемую для расплавления поверхностного слоя электрода-заготовки в зоне обработки электродом-инструментом.

Источниками выделения теплоты в зоне контакта инструмента и заготовки являются электрические разряды, повышенное сопротивление зоны контакта и трение между инструментом и заготовкой.

В зависимости от соотношения  между электрической и механической мощностями осуществляются различные режимы данного типа обработки материалов. Если механическая мощность в выражении ( 5 ) больше электрической, то энергия в  междуэлектродное пространство вводится (т.е. обеспечивается нагревание, расплавление и последующее снятие материала с заготовки) в основном благодаря трению и электроконтактная обработка носит преимущественно механический характер. При высоких значениях напряжения и небольшой механической силе электрическая мощность превышает механическую, и электроконтактная обработка приобретает хорошо различимые черты электроэрозионного процесса. При этом электрическая энергия превращается в тепловую, с одной стороны вследствие возникновения джоулевой теплоты в области кратковременного электрического контакта между участками электродов и, с другой стороны, в результате действия электрических разрядов между электродами, как при электроэрозионной обработке.

При невысоком  (один, два Вольта) основное значение имеет механическое трение, при напряжении от двух до десяти Вольт электрическая энергия превращается в тепловую благодаря контактному сопротивлению в области касания участков электродов, при этом электрические разряды отсутствуют. При напряжении свыше десяти Вольт процесс становится чисто эрозионным, поскольку напряжение достаточно для возникновения дугового разряда и переноса зарядов через плазменный канал без соприкосновения электродов друг с дружкой.

 Таким образом,  в наиболее общем случае могут  одновременно действовать три  источника теплоты: механический, электроконтактной и электроэрозионный, и в то же время возможно их различное сочетание, т.е. возможно большое разнообразие несхожих по физической сущности процессов.

Эта теплота, выделяемая в зоне контакта, размягчает и расплавляет  материал снимаемого слоя, одновременно движение инструмента обеспечивает механический вынос частиц металла из зоны обработки.

 

3.2 Оборудование и технологическая оснастка для электроконтактной обработки.

Для электроконтактной  обработки на переменном токе промышленной частоты не требуется специально спроектированных источников питания. Применяемые источники тока обычно содержат понижающий трансформатор, первичная обмотка которого включается в промышленную сеть, а со вторичной обмотки напряжение значением          до 40 В подается на электроды.

Рисунок 4 - Схема электроконтактного станка для прошивания отверстий.

 

Для схем питания станков  использующих электроконтактную обработку  используют трансформаторы большой  мощности от 30 до 500 кВ·А, имеющие на вторичной обмотке напряжение от 30 до 70 В (это марки трансформаторов СТЭ-34, ТСД-100-3, ТК-16-31, ТСУ-120 ∕ 05 и ряд специальных типов.)

Иногда по технологическим  причинам возникает необходимость  использования электроконтактной  обработки на постоянном токе. Тогда  на помощь приходят мощные выпрямители переменного тока. Однако следует заметить что при использовании постоянного тока габариты увеличиваются примерно в 12 раз, следовательно сразу увеличивается стоимость оборудования и потребляемая мощность, а значит и падает значение сэкономленной энергии (при самом процессе падение составляет 200%, а при режиме холостого хода 500%). Кроме этого использование переменного тока в процессе электроконтактной обработки безопаснее и, в конце концов, проше как для монтажа и ремонта, так и при работе.

 

Рисунок 5 - Схема электроконтактной  резки (а), обдирки (б), сверления (в),

и фрезерования (г).

 

На рисунке 5 приведены  типовые схемы электроконтактной  обработки. Обработка детали 2 с подачей  жидкости 3 производится вращающимся  с большой окружной скоростью диском 1. Инструмент представляет собой либо диск (при разрезании), либо вращающуюся или вибрирующую трубку (при сверлении или долблении), либо вращающуюся металлическую щетку (при шлифовке или очистке).

Обычно электроконтактная  обработка производится гладкими дисками, но при этом снятый с электрода-заготовки металл равномерно выжимается во все стороны, образуя наплывы и препятствуя движению диска. Чтобы  избежать этого осложнения применяются диски с профилями, которые обеспечивают некоторый зазор между электродами, например секционный диск с впадинами и выступами или диск с впаянными " зубами " из твердого сплава, или диск в виде спирали Архимеда. Применение подобных дисков приводит к более качественной обработки деталей и более равномерной загрузке электрической цепи. Но вот только изготовление подобных дисков гораздо сложнее и дороже чем простых сплошных, соответственно возникает извечный вопрос соразмерности цели и метода, который в каждой конкретной ситуации решается сообразно желаниям и возможностям.

Еще одним неоспоримым  достоинством электроконтактной обработки  является применение довольно простого оборудования, которое зачастую изготавливается  на базе хорошо освоенных как для  производства так и для ремонта, металлорежущих станков.

Электроконтактная обработка различается также по типу используемого диэлектрика-охладителя. Так применяется воздух и вода как диэлектрик и одновременно элемент охлаждения готового изделия и инструмента. Использование воздушной струи гораздо легче реализовать (достаточно провести воздушную линию от компрессора), оно существенно безопаснее (нет вероятности попадания воды на электрооборудование), производительность этого способа много выше, чем при использовании водяных смесей, однако при использовании воздуха в качестве диэлектрика образуется дефектный слой материала значительной толщины. Толщина этого дефектного слоя ощутимо снижается при замене воздуха на водяную смесь, но сразу страдают остальные показатели, такие как производительность, безопасность и, что на мой взгляд наиболее ощутимо, происходит значительный износ электрода (примерно 80% на 100% готового изделия).

Производительность установки  также зависит от значений рабочего напряжения и силы тока – с их ростом она увеличивается, но при  этом страдают точность обработки и величина шероховатости поверхности.

К недостаткам электроконтактной  обработки можно отнести невысокое  качество обрабатываемой поверхности (конечно это сравнение относится  к электроэрозионной, лучевой обработкам), что означает что детали либо надо дополнительно зачищать, либо удовлетворится не идеальностью их поверхностей.

Чтобы увеличить точность обработки, и снизить количество микротрещин и наплывов необходимо постоянно следить за теплообменом в зоне обработки. Также решающее значение имеет правильный выбор режимов обработки, скоростей вращения и подачи диска, силы давления на диск, скоростей подачи воздуха или воды, формы инструмента-электрода.

Современным следящим системам автоматизированного управления эти  задачи вполне по силам. Конечно расчетная и итоговая стоимость подобного оборудования возрастает в несколько раз, но эти деньги вполне окупятся через примерно пять лет использования подобных станков электроконтактной обработки. Это произойдет вследствие уменьшения количества бракованных или низкокачественных деталей; увеличения срока службы как электрода инструмента так и всего оборудования в целом; увеличения и без того высокой производительности.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

4 ЭЛЕКТРОИМПУЛЬСНАЯ ОБРАБОТКА

 

4.1 Принцип действия оборудования использующего электроимпульсную обработку.

Электроимпульсная обработка  основана на преобразовании электрической  энергии в механическую,  совершаемом  без промежуточных звеньев и  называемом электрогидравлическим  эффектом (именно поэтому электроимпульсную  обработку иногда называют электрогидравлической). Электрогидравлический эффект основан на механическом воздействии расширяющегося плазменного канала, возникающего при очень кратковременном высоковольтном импульсном разряде, на окружающую жидкую  среду, которая уже непосредственно передает это воздействие на обрабатываемую заготовку.

Этот эффект состоит в том, что  при прохождении внутри конечного  объема жидкости, запертой в сосуде, высоковольтного импульсного разряда  в, зоне его образования возникает  импульсные же сверхвысокие гидравлические давления. Эти сверхдавления проявляются в возникновении ударной волны, которая распространяется в жидкой среде ограниченной объемом сосуда, и последующей пластической деформации металлических и неметаллических заготовок расположенных на дне сосуда.

Рисунок 6 - Принципиальная схема процесса электрогидравлической  штамповки.

 

 

Электрогидравлическая штамповка осуществляется с очень  высокими параметрами силовых воздействий  на заготовку, что является положительной  стороной процесса и на само оборудование установки (появляется необходимость изготовления специальных ударопрочных резервуаров). Электрический разряд создающий  давления от 100 до 1000 МПа сообщает деформируемой заготовке ускорение от до , при этом скорость деформации заготовки достигает почти немыслимых 100 .

Скорость и давление ударной  волны, образовавшейся при электрическом  разряде в жидкости, зависят от основных технологических параметров, которые можно свободно изменять и подстраивать под конкретный тип материала заготовки. Скорость и давление уменьшаются по мере удаления от центра разряда и при уменьшении энергии разряда. Эти два фактора можно выразить в следующей зависимости.

Давление в жидкости на фронте ударной волны определяется как:

,                                                                   (6)

где – длина разрядного промежутка (расстояние между электродами)

(см. рисунок 6);

      U, C – напряжение и емкость конденсаторной батареи соответственно;

       - расстояние между разрядным каналом и заготовкой.

Из формулы (6) видно, что при неизменных значениях емкости конденсатора С и межэлектродного расстояния давление определяется прямой функцией от значения напряжения U.

Для определения технологически оптимальной  длины разрядного промежутка, обеспечивающего  наиболее эффективную работу электрогидравлической  установки, пользуются формулой:

,                                                                  (7)

где - площадь поверхности положительного электрода, контактирующего с водой.

Основным энергетическим показателем  процесса электрогидравлической (электроимпульсной) штамповки является эффективность разряда, определяемая отношением энергии , выделившейся в канале разряда, к энергии запасенной в конденсаторной батарее .