Фізико-хімічні методи обробки матеріалів

РЕФЕРАТ на тему

"Фізико-хімічні методи обробки матеріалів"

1. Загальні положення

В сучасному машинобудуванні застосовують фізико-хімічні методи обробки матеріалів як доповнення, а інколи для заміни традиційних методів. Вони мають слідуючи переваги: можуть копіювати складну форму інструменту зразу по всій поверхні заготовки; обробка заготовки ведеться практично не залежно від твердості і в'язкості матеріалу; можна виконувати унікальні роботи (обробка отворів з криволінійною чи спіральною віссю, вузьких і глибоких канавок); малі значення сил, що діють на заготовку в процесі обробки, а при деяких методах відсутність контакту інструмента і заготовки; використовується інструмент м'якший ніж оброблюваний матеріал; висока продуктивність обробки при порівняно високій точності одержуваних розмірів; можливість автоматизації процесів. Недолік фізико-хімічних методів обробки в тому, що ці процеси більш енергомісткі ніж обробка різанням, тому їх доцільно застосовувати лише в тих випадках, коли обробка різанням малоефективна, або неможлива.

Всі фізико-хімічні методи обробки включають 5 основних видів, кожен з яких складається з декількох різновидностей, це електроерозійні, електрохімічні, ультразвукові, променеві і комбіновані методи обробки. В цих методах знімання припуску здійснюється не за рахунок великих пластичних деформацій, а шляхом електричної, або хімічної ерозії. Ці методи економічно ефективні при обробці складних поверхонь на твердих матеріалах (прес-форми, штампи... твердосплавний фасонний інструмент...)

2. Електроерозійні методи обробки

Електроерозійні методи обробки ґрунтуються на використання явища електричної ерозії - напрямленої локальної дії руйнування електропровідних матеріалів в результаті теплової дії імпульсних електричних розрядів між електродом-інструментом і електродом-заготовкою. З цих методів набільш широке розповсюдження одержала електроіскрова обробка. Електрод-інструмент і оброблювана заготовка занурені в робочу рідину (масло) і з'єднані з генератором електричних імпульсів. Всі процеси протікають в між електродному проміжкуД.

Електричні розряди виникають при пропусканні імпульсу електричного струму в зазорі шириною 0,01-0,05 мм між електродом заготовкою і електродом інструментом. Під дією електричних розрядів матеріал заготовки плавиться, випаровується і виноситься з міжелектродгого проміжку в рідкому, або в газоподібному стані.На електроди (матеріал і інструмент) подається змінний (пульсуючий) струм. При досягненні напруги рівної пробивній між заготовкою і інструментом утворюється канал провідності у вигляді заповненого плазмою простору малого перетину і щільність струму досягає8000-10000 А/мм². Висока щільність струмі підтримується протягом 10^-5-10^-8 сек і забезпечує температуру на поверхні заготовки 10000-12000^оС. Метал плавиться, випаровується і застиває в рідині у вигляді сферичних гранул діаметром 0,01-0,05 мм. У кожний послідуючий момент імпульс струму пробиває між електродний зазор у тому місці, де проміжок між електродами найменший.

В процесі розряду на заготовку і інструмент, поряд з теплом, діють електростатичні, електродинамічні сили, а також гідродинамічні сили, що виникають при кавітаційному закриванні бульбашок, що утворюються в рідині.

Режим електроерозійної обробки характеризується полярністю і електрич-ними параметрами імпульсів струму, що визначають продуктивність і якість обробленої поверхні. Режими ЕЕО діляться на електроіскрові і електроімпульсні.

Електроіскрові режими характеризуються використанням іскрових розрядів малої довжини 10^-5-10^-7 сек при прямій полярності електродів (заготовка +, інструмент-). В залежності від потужності іскрових розрядів режими діляться на жорсткі і середні (для попередньої обробки) і м'які - для чистової обробки (R_a 0,01мкм).

Рис. 1.

Електроіскрові режими використовуються для обробки твердих сплавів, трудно оброблюваних матеріалів і сплавів, обробки наскрізних і глибоких отворів довільного поперечного перетину. Для утворення електричних імпульсів на верстатах встановлені RC генератори, які складаються з зарядного і розрядного контурів(рис.1) .Зарядний контур включає конденсатор С, який заряджається через опір R від джерела постійної напруги 100-200 В, а в розряд-ний контур паралельно з конденсатором С включені електроди 1-інструмент і 2-заготовка. Як тільки напруга на конденсаторі досягає пробійної то через між електродний простір проходить іскровий розряд, накопичений на конденсаторі С. Продуктивність регулюється опором R. Оброблюваність матеріалів електроіскровим способом залежить від теплофізичних властивостей матеріалу і умов протікання процесу. Чим менша теплопровідність, тим краще матеріал обробляється.

Різновидністю електроіскрових режимів є високочастотні режими, які використовують імпульсні генератори малої енергії з частотою100-150 кГц. Високочастотна імпульсна обробка забезпечує високу точність обробки і кращу якість поверхні. Розрядка проходить при замиканні первинного ланцюга імпульсного трансформатора перебивачем (тиратроном, або вакуумною лампою). Принципова схема високочастотної електроіскрової обробки подана на рис. .

Електроімпульсні режими обробки характеризуються використанням імпульсів значної довжини 0,5-10 сек, які відповідають дуговому розряду між електродами і біль інтенсивному руйнуванню катода. Тому заготовка приєднується до катода, що забезпечує вищу продуктивність (у 8-10 раз) і менше зношування інструменту, але менша точність, тому використовується як попередня обробка. Принципова схема електроімпульсної обробки приведена на рис. .

Різновидністю електроіскрової обробки є обробка нерофільованим електродом- тонким дротом діаметром 0,05-0,3 мм з перміщенням по двох координатах (рис.2). Цей вид обробки позволяє вирізати з високою точністю складні контурні деталі при використанні коротких імпульсів малої енергії. Дріт 3 одержує безперервний рух від роликового механізму 1-2-6. Оброблювана заготовка одержує беперервну поздожню або поперечну подачу ( або по криволінійній траєкторії).

Рис. 2

Через трубку 5 подається рідина. Технологія ЕЕО розвивається в двох напрямках: 1. Обробка велико габаритних деталей, наприклад штампів, вагою до 50 тон; 2. виготовлення точних деталей відносно невеликих розмірів. За останні 10-15 років точність ЕЕО виросла в два рази і при обробці нескладних деталей становить декілька мкм. На верстатах з застосуванням не профільованого інструменту широко застосовуються системи програмного керування з оптимізацією параметрів обробки. В Японії і США більше половини всіх штампів виготовляють електроерозійними способами.

3. Електрохімічні методи обробки

Електрохімічна обробка (ЕХО) ґрунтується на використанні процесу електролітичного полірування, де використовується явище електролізу- хімічного перетворення на поверхні електродів в середовищі електроліту. В основі ЕХО лежить процес анодного розчинення металу заготовки. В робочому середовищі - електроліті молекули речовини розпадаються на електрично заряджені частинки - іони, кожен з яких переносить один, або декілька електричних зарядів, і без зовнішнього електричного поля іони в електроліті рухаються хаотично.

Якщо заготовку і інструмент з'єднати з джерелом постійного струму (U=6-12В), то в електроліті буде напрямлений рух електронів: позитивні заряди (катіони) ідуть до катоду, а електрони до аноду. Біля електродів поступово повищається концентрація іонів протилежного знаку. На катоді починається виділення катіонів, а на аноді - окислення металу (анодне розчинення). Обробка деталей у водному розчині NaCl проводиться в слідую чому порядку:

1) Fe + 2Cl = FeCl₂

2) FeCl₂ + 2NaOH = 2NaCl + Fe(OH)₂

Fe(OH)₂ під дією кисню повітря переходить в Fe(OH)₃ і випадає в осадок.

3) 4Fe(OH)₂ + O₂ + 2H₂O = 4Fe(OH)₃ на катоді виділяється водень

4) Н₃О⁺ + е = Н₂О + 0,5 Н₂.

Характер електрохімічних реакцій залежить від складу, концентрації і температури електроліта. Найбільш розповсюджений електроліт прои обробці сталей 10-20% водний розчин NaCl i 5-15% розчин NaNO₃ при обробці жароміцних сплавів, алюмінієвих і мідних сплавів.

Процес анодного розчинення підпорядкований закону Фарадея m=k_eIt, тут m- кількість розчиненого металу, І - сила струму, t - час процесу, к_е - хімічний еквівалент. К_е=. А_в - атомна вага, В - валентність. Фактично продуктивність нижча через забруднення аноду продуктами розпаду.

Обробка при малих щільностях струму і нерухомому електроліті називається електрополіруванням. Деталь поміщають в розчин (+), а катодом служить пластина, що не вступає в хімічну реакцію з електролітом (-). При проходженні струму найбільш інтенсивно розчиняються виступи нерівностей, чим досягається ефект полірування Він використовуеться перед нанесенням гальванічних покрить. Схема установки для електролітичного поліруваннч приведена на рис.3

Для збільшення продуктивності застосовують :

1. Анодно-гідравлічну обробку, яка ведеться в умовах інтенсивного поточ-ного руху електроліту при малому зазорі між електродами

Рис. 3. (0,1-1)мм.

2.Анодно-механічна обробка при якій продукти анодного розчинення видаляють за рахунок механічної дії диска, або стрічки, застосовується в заготівельних цехах при розрізанні трудно оброблюваних матеріалів на заготовки.

3. Електроабразивна обробка (електроалмазна) ведеться абразивним інструментом на металічній зв'язці, застосовується в інструментальних цехах при виготовленні фасонного інструменту.

4. Ультразвукові методи механічної обробки

Ультразвукові методи обробки ґрунтуються на використанні енергії ультразвукових коливань частотою 16-44 кГц. Інтенсивність більше 10 Вт/см². Джерелом ультразвукових коливань служить п'єзокерамічні перетворювачі, що збуджуються ультразвуковим генератором.

Різновидності ультразвукової обробки:

1. Обробка незакріпленим абразивом для зняття дрібних заусенців (менше 0,1 мм) і шліфування дрібних деталей масою 10-20 г (рис4а)

2. Розмірна обробка деталей з твердих хрумких матеріалів абразивною суспензією (рис.30б).

3. Очистка і змазка робочої поверхні круга в процесі чистового шліфування в'язких матеріалів.

4.Надання вимушених ультразвукових коливань малої амплітуди для інтенсифікації звичайних процесів різання трудно оброблюваних матеріалів.

Схема розмірної обробка показана на рис4б Іструмент 1 здійснює ультразвукові коливання з амплітудою 0,02-0,05 мм і діє на заготовку 3 з невеликою статичною силою Р=30-200Н. В робочу зону подаються абразивні зерна (водний розчин карбіду бору).

Тут мають місце 2 процеси: 1. Ударне вдавлювання абразивних зерен, яке викликає виколювання невеликих частин матеріалу заготовки. 2. Циркуляція і зміна абразиву в робочій зоні для виносу виколотих частинок і подачі свіжого абразиву.

Рис. 4

Головний рух- коливання інструменту, швидкість коливання V=; тут f - частота коливань Гц, А - амплітуда коливань мм. Подача може бути поздовжня поперечна і кругова

Продуктивність і якість обробленої поверхні залежить від властивостей оброблюваного матеріалу, амплітуди коливань і статичного навантаження Р.

Продуктивність V= et², тут t - критерій хрупкості матеріалу (відношення опору зсуву до опору на розрив) Матеріали, що мають t2 ( скло, кераміка, кремній, германій...) добре обробляються ультразвуком. З збільшенням частоти коливань, їх амплітуди і зернистості абразиву збільшується продуктивність. При обробці глибоких отворів суспензію подають під тиском.

Перспективним є суміщення електрохімічного і ультразвукового способів обробки, що позволяє значно підняти продуктивність процесу і якість поверхневого шару. При цьому значно зменшуються зношування інструменту (в 5-6 раз) і енергоємність процесу (в 3-5 раз).

5. Променеві методи розмірної обробки

Променеві методи обробки включають видалення металу плавленням і випаровуванням під дією енергії променевих потоків і високо енергетичних струменів з питомою щільністю енергії 10⁶- 10⁹ Вт/см². Основні різновидності6 електронно - променева і світло-променева (лазерна) обробка. Особливість обробки в тому, що імпульси енергії короткі ф10 мкс.

Електронно- променева обробка (ЕПО) діє на принципі видалення речовини під дією сфокусованого пучка електронів - випаровування, або сублімація речовини з точки дотику електронного променя (локальний нагрів за рахунок перетворення кінетичної енергії в теплову).Дуже великі швидкості ( до 10 км/сек.) можна надати електронам у вакуумі при використанні високих напруг прискорення. Для забезпечення роботи в камері установки необхідно створити вакуум 10^-5 мм.рт.ст. (1,3310^-2Па). Схема установки електронно-променевої обробки показана на рис.31.

Схема електронно- променевої установки: 1-генератор імпульсів; 2- імпульсний трансформатор; 3- джерело напруги збудження і розжарювання; 4-катод; 5-джерело високої напруги; 6електромагнітне юстировання; 7-діафрагма; 8-корректор зображення; 9-магнітна лінза; 10-джерело живлення лінзи; 11-контрольний контур; 12- катодний осцилограф; 13- оброблювана деталь; 14 - робочий стіл.

Рис .5.

Режим обробки електронним променем визначається силою струму в промені І, напругою прискорення U, щільністю енергії в фокальній точці q, часом дії імпульсу і частотою імпульсів f, а також швидкістю переміщення променя відносно заготовки.

В залежності від щільності енергії q механізм видалення матеріалу заготовки може бути різним: термічним, крапельним, пароструменевим і вибуховим. Найбільш ефективним є вибуховий (q10⁶вт/см²), коли передача енергії твердому тілу здійснюється періодично тепловими вибухами і швидкість виділення теплоти значно вища швидкості її відведення (вибухове випаровування). Утворюється ударна хвиля, яка генерує і скеровує в глибину тіла потік дислокацій і ініціює процес плавлення.

Цим способом можна обробляти електропровідні і не електропровідні матеріали з різними механічними властивостями. Краще обробляються електропровідні, тому що немає статичного розряду.

Переваги електронно-променевої обробки: висока продуктивність обробки, відсутність хімічної взаємодії, можливість обробки трудно доступних місць, малих отворів, вузьких канавок. Недоліки: дороге обладнання, необхідність захисту обслуговуючого персоналу від рентгенівського випромінювання.

6. Світлопроменева (лазерна) обробка (СПО)

Відкриття лазерів на початку 60-х років минулого століття стало початком нової епохи у сучасній фізиці: родилась і почала швидко розвиватись нова область науки - квантова електроніка, яка позволила створити надзвичайно концентровані потоки енергії. У 1964 році фірма "Жилет" використала рубіновий лазер для пробивання отворів у лезах бритви. Пізніше їх почали використовувати для пробивання отворів у каменях для годинників. Поява в кінці 70 -х і на початку 80-х років потужних газових лазерів ( на базі СО₂) стимулювала дальше їх використання у промисловості для зварювання металічних матеріалів, різання тонколистового матеріалу, в тому числі кераміки.

Лазарний (оптичний квантовий генератор) - пристрій, який генерує когерентні електромагнітні хвилі за рахунок вимушеного випромінювання, або вимушеного розсіювання світла активним середовищем, яке знаходиться в оптичному резонаторі. Схема оптичного квантового генератора (ОКГ) показана на рис. 6

Рис. 6 Схема роботи твердотільного лазара.

Короткі спалахи газорозрядної лампи збуджують частину атомів хрому рубінового стержня 1, переводячи їх у більш високий енергетичний стан. Збуджені атоми можуть передавати енергію сусіднім атомам. Хвиля, що іде вздовж осі кристала багатократно відбивається від його плоско паралельних торців і швидко підсилюється. Через напівпрозорий нижній торець виходить потужний імпульс червоного світла, проходить через діафрагму 2, оптичну фокусну систему 3 і захисне скло 4 на поверхню оброблюваної деталі 5. Енергія випро-мінювання ОКГ невисока 10 - 100 Дж, а ккд 0,1-1%. Температура в точці попадання променя 5500 - 9000 ^оК достатня для плавлення металу. В момент закінчення дії світлового імпульсу форма отвору визначається геометрією променя. Але до моменту затвердіння в результаті перерозподілу рідкої фази форма отвору суттєво міняється через неповне видалення рідинної фази. При імпульсах довжиною 0,8 мсек збільшується зона структурних змін і на стінках отворів можуть появитись дефекти у вигляді мікро тріщин.

При багато імпульсній СПО формування отворів проходить шляхом пошарового випаровування матеріалу кожним послідуючим імпульсом. Зменшення часу імпульсу і збільшення кількості енергії в локальній точці q сприяє різкому зменшення зогни розплаву і підвищення технологічних показників.

Лазерні установки, що освоєні в 1987-90 роках використовуються у промисловості, при відносно невеликих потужностях можуть забезпечити концентрацію енергії (інтенсивність) q= 10¹⁰ Вт/см² при імпульсному режимі і до q=10⁷Вт/см² при неперервному випромінюванні. Це позволяє плавити і випаровувати любі матеріали і, відповідно, обробляти легко звичайні матеріали і надтверді матеріали, в тому числі керамічні і композиційні. Малий розмір світлової точки опромінення і можливість його переміщення по поверхні оброблюваної заготовки з точністю 10^-1-10^-2 мм створює унікальні технологічні можливості. Лазерні установки легко можуть бути повністю автоматизовані і працювати в режимі з програмним керуванням.

Похибки лазерної обробки отворів при правильному виборі режиму становить 8-10% від номіналу. Область застосування СПО приблизно така як і електронно-променевої. Але електронний промінь інерційний і проникає в метал глибше. СПО не шкідлива для обслуговуючого персоналу (відсутнє рентге-нівське випромінювання), можна обробляти габаритні деталі, немає вакуумних камер, обробка ведеться в повітряному середовищі.

Недоліки СПО: відносно невелика потужність випромінювання, ккд квантових генераторів 1-2%, перегрів кристала і трудності його охолодження, відносно низька точність обробки. Використання лазерних технологій ефективно в тих випадках, коли інші способи обробки важко, або неможливо використати.

7. Гідроструменева обробка матеріалів

Гідроструменева обробка ґрунтується на дії на матеріал водяного струменя високого тиску і руйнування ним матеріалу. Фірма FLOW SUSTEM (США) розробила систему водоструменевої обробки з використанням абразивних матеріалів. В цій системі вода з абразивом дуже тонкої фракції під тиском 400мПа фокусується соплом з сапфіру в тонкий струмінь діаметром 0,2 мм. Таким способом можна точно різати сталь, титан, прецизійні сплави, кераміку, скло, композиційні матеріали. При цьому не виникає перегріву металу і його деформації.

Гідроструменева обробка без домішків абразиву (тільки чиста вода) може використовуватись для різання дерева, пластмас, паперу, килимів... Розхід води не великий, до 2х літрів за хвилину. Намокання матеріалу не велике, так як струмінь води дуже тонкий.

8. Плазмова обробка матеріалів

Плазма - це високотемпературна, дуже іонізована речовина. Іонізація виникає внаслідок дії високої температури електричної дуги, або електричного поля високої частоти. В заленжності від збудження плазму називають високочастотноюя, або дуговою. В більшості випадків для різання металів використовується дугова плазма. Пристрій в якому одержеють плазму називають плазмотроном. Для різання металів використовуються плазмотрони прямої дії, в яких електрична дуга виникає між волфрамовим електродом і оброблюваною заготовкю. Стискається вона водоохолоджуючим кільцем, розміщеним на плазмотроні і струменем інертного газу (аргону, або азоту). Частина газу проходить через стовп стисненої дуги, іонізується і виходить у вигляді плазмового струменя. Температура плазмовогоструменя може досягати 30000 ⁰С. Часто використовується плазмова обробка для розрізання товстого листового прокату на заготовки. Якість обробки поверхонь тут не висока, але забезпечується висока продуктивність, може проводитись виготовлення заготовок складного профілю при цьому плазмотрон рухається за заданою програмою.