Пластическая деформация металла при прокатке 2 страница
2). Прошивание углублений, полостей и отверстий.
Рисунок 3.2. — Схема прошивания
1 – электрод-инструмент; 2 – заготовка.
При такой схеме электрод-инструмент 1 имеет одно рабочее движение — поступательное движение со скоростью 
к детали 2. Межэлектродный зазор (S) — постоянный, т.е. режим стационарный. Электролит прокачивается со скоростью 
.
По этой схеме изготовляют рабочие полости ковочных штампов, пресс — форм, прошивают отверстия, пазы, перья лопаток турбин, вырезают заготовки различного профиля.
К такой схеме относят и получение отверстий струйным методом.
Рисунок 3.3 — Схема прошивания струйным методом
1 - электрод-инструмент (токопровод); 2 – заготовка;
3 – диэлектрический корпус.
Электрод-инструмент состоит из токопровода 1, омываемого потоком электролита. Токопровод находится внутри корпуса 3 из диэлектрика. Электролит создает токопроводящий канал между токопроводом 1 и заготовкой 2.
В месте контакта жидкости с обрабатываемой поверхностью материал заготовки растворяется и образуется углубление. Процесс идет достаточно быстро только при высоких напряжениях (до нескольких сотен вольт). Так получают отверстия диаметром 1,5…2,0 мм и вырезают контуры деталей сложной формы.
3). Точение наружных и внутренних поверхностей.
Рисунок 3.4 — Схема точения наружных поверхностей
1 – электрод-инструмент; 2 – заготовка.
По такой схеме электрод-инструмент 1 выполняет роль резца, без контакта. В зазор S прокачивается электролит со скоростью . При точении внутренней поверхности электрод-инструмент 1 перемещается вдоль заготовки 2 со скоростью .
Межэлектродный зазор S может поддерживаться диэлектрическими прокладками 3.
Рисунок 3.5 — Схема точения внутренних поверхностей
1 – электрод — инструмент; 2 – заготовка; 3 – прокладки диэлектрические.
4). Протягивание наружных и внутренних поверхностей в заготовках
Заготовки должны иметь предварительно обработанные поверхности, по которым можно базировать электрод-инструмент. Его устанавливают относительно заготовки с помощью диэлектрических прокладок. Электрод-инструмент продольно перемещается (иногда вращается).
По такой схеме выполняют чистовую обработку цилиндрических отверстий, нарезание резьбы, шлицев, винтовых канавок.
5). Разрезание заготовок
При разрезании заготовок используется профилированный инструмент (вращающийся диск) или непрофилированный-проволока.
Рисунок 3.6 — Схема разрезания профилированным инструментом
1 – электрод — инструмент (диск); 2 – заготовка.
При этой схеме зазор между инструментом-электродом и заготовкой должен быть постоянным.
Для выполнения в заготовках различных фигурных пазов, щелей особенно в нежестких материалах применяется непрофилированный инструмент-электрод в виде проволоки из латуни, меди или вольфрама.
Рисунок 3.7 — Схема разрезания непрофилированным инструментом
1 – инструмент — электрод (проволока); 2 – заготовка.
Для устранения влияния износа проволоки на точность обработки проволока непрерывно перематывается с катушки на катушку, что позволяет участвовать в работе все новым ее элементам.
6). Шлифование
При этом используется вращающийся металлический инструмент цилиндрической формы, который поступательно движется вдоль заготовки 2 со скоростью .
Рисунок 3.8 — Схема шлифования
1 – электрод — инструмент; 2 – заготовка.
Это окончательная операция при изготовлении пакетов пластин из магнитомягких материалов, когда при обработке недопустимы механические усилия, а также для изготовления деталей из вязких и прочных сплавов.
Технологические показатели ЭХО
Точность обработки
Точность размеров и формы детали зависят от погрешности электрода — инструмента и от погрешности, вызванной отклонениями режима ЭХО от расчетного.
Кроме того, погрешность детали зависит от припуска на обработку, его неравномерности, стабильности процесса анодного растворения по обрабатываемой поверхности, точности оборудования.
В конце обработки погрешность детали должна быть в пределах допуска.
Погрешность размеров детали зависит от начальной погрешности размеров заготовки, зазора и припуска на обработку.
Кроме того, рабочей поверхности электрода-инструмента придают форму, несколько отличающуюся от той, которую требуется получить в детали. Этот процесс называют корректированием электрода-инструмента.
Различные факторы неодинаково влияют на общую погрешность обработки:
— наибольшее влияние оказывает нестабильность электропроводности электролита, зазора, выхода по току – до 50%;
— отклонения от расчетного режима течения электролита – до 20%;
— упругие и температурные деформации – до 15%;
— погрешности настройки и установки – до 15% от общей погрешности.
Пути снижения погрешности:
1). Форма исходной поверхности заготовки должна иметь минимальный припуск с минимальной его неравномерностью;
2). Уменьшение межелектродного зазора; малые зазоры (0,02…0,05 мм) получают установкой на поверхности инструмента твердых упоров из изоляционных материалов (алмазных игл, абразивных зерен). Для схемы с неподвижными электродами - с периодической перестановкой электродов.
Одним из способов уменьшения межэлектродного зазора является применение импульсного напряжения. В период пауз удается добиться полного выноса продуктов обработки из зазора, стабилизировать температуру, состав электролита.
Импульсный ток используют одновременно с ускоренным сближением и отводом электродов.
Напряжение на электроды подают как в момент сближения электродов, отключая его непосредственно перед их касанием, так и во время отводов электродов после касания.
Или другой способ — чередуют включение напряжения и прокачки электролита, что позволяет стабилизировать режим ЭХО и избежать местных дефектов от неравномерного движения потока электролита.
3). Вибрация электродов применяется совместно с импульсным напряжением или при постоянном токе. Вибрация электродов может осуществляться параллельно или перпендикулярно направлению подачи как с одинаковой, так и с разной амплитудой колебаний по обоим направлениям.
4). Локализация процесса анодного растворения позволяет ограничить прохождение тока через участки заготовки, прилегающие к обрабатываемому, и за счет этого повысить точность формообразования;
5). Длячистовой обработке турбинных лопаток применяют растворы NaCl с малой массовой концентрацией (50…60 г/л). За счет малого количества ионов резко снижается степень рассеяния;
6.) Введение в электролит воздуха и других газов под напором;
7). Применение локальной обработки заготовки отдельными секциями электрода- инструмента, на которые последовательно подают напряжение. Последовательность включения секций направлена против движения электролита, поэтому все продукты отработки удаляются из зазора, минуя работающую секцию;
8). Наиболее широко применяют локализацию обрабатываемого участка путем диэлектрических покрытий детали (например, с помощью фотохимии).
Если бы удалось получить одинаковые режимы обработки по всей обрабатываемой поверхности, то погрешность при изготовлении деталей любой сложности не превышала бы нескольких мкм.
Так при прошивании точных углублений желательно было бы иметь:
— нестабильность напряжения в пределах 0,1…0,2 В;
— скорость подачи электрода-инструмента-до 1%;
— электропроводимость электролита-2%.
Стабилизировать параметры в указанных пределах практически не удается, так как они изменяются по длине зазора.
Наиболее сложно добиться постоянства проводимости электролита, которая зависит от температуры, количества газообразных продуктов обработки. Задача облегчается, если в зазоре отсутствуют газообразные продукты обработки.
Советскими учеными предложены электролиты, в которых водород в атомарном виде сразу вступает в реакцию — такие электролиты называются безводородными.
Это хлорид аммония, дихлорид железа, которые вызывают активную коррозию оборудования.
Удаляют газообразные продукты – отсосом по длине зазора (погрешность снижается в 2…3 раза).
Применение комбинированных способов обработки (электроалмазного, электроабразивного) с механической депассивацией поверхности также позволяет повысить точность ЭХО.
В настоящее время ЭХО позволяет получить:
— при обработке неподвижными электродами со съемом по глубине до 0,2 мм-погрешность не более 0,02 мм, при большей глубине-0,03…0,050 мм;
— при прошивании мелких отверстий (Ø до 2 мм) – точность по 9…10-му квалитету СЭВ;
— при обработке полостей и разрезании-по12…14-му квалитету СЭВ;
— для схем точения точность-8…10-му квалитету;
— при шлифовании металлическими, электроабразивными и электроалмазными кругами точность по 6…7-му квалитету СЭВ.
Качество поверхности
В технологии машиностроения качество поверхности характеризуют:
— геометрическими (микрорельеф) показателями;
— физическими показателями (микротвердость, обезуглероженный слой) слоя материала, прилегающего к поверхности
Шероховатось
Формирование микрорельефа поверхности при ЭХО зависит от:
— структуры материала заготовки;
— состава материала; его температуры;
— скорости прокачки электролита;
— электрических параметров режима.
Все эти факторы постоянно меняются во времени и процесс анодного растворения в каждой точке протекает по-разному.
Если ЭХО выполняют после механической обработки, то в начале процесса анодного растворения микрорельеф повторяет профиль заготовки.
Характер микронеровностей зависит от структуры обрабатываемого материала. Чаще наблюдается межкристаллитноерастравливание, так как зерна растворяются медленнее. Оно и определяет шероховатость поверхности.
Чем мельче зерно, тем меньше глубина межкристаллитногорастравливания.
Глубина микронеровностей зависит от плотности тока. Для большинства сплавов с увеличением плотности тока шероховатость обрабатываемой поверхности снижается.
Чем ниже температура электролита (при той же плотности тока), тем меньше высота неровностей.
В большинстве случаев температура электролита равна 17…37°С. Для обработки титановых сплавов-47°С; для чистовой обработки нержавеющих сталей -4°С.
При обработке в электролитах на базе NaCI шероховатость поверхности различных материалов находится в следующих пределах:
— конструкционных сталей-Ra=0,32…0,1 мкм;
— нержавеющих сталей-Ra=1,25…0,32 мкм;
— титановых сплавов-Ra=2,5…1,25 мкм;
— алюминиевых сплавов-Ra=2,5…0,63 мкм.
Физические свойства поверхности
После ЭХО в поверхностном слое не наблюдается снижение содержания углерода и изменения твердости, отсутствует наклеп. Напряжения повышаются вследствие растравливания — есть концентрация напряжений, так как межкристаллитные углубления имеют меньше радиус закруглений.
Для уменьшения напряжений в поверхностном слое нужно повышать плотность тока, применять охлажденные электролиты, использовать импульсный ток, стабилизировать параметры электролита.
Выделяющийся водород в зазоре приводит к охрупчиванию поверхности и снижению усталостной прочности (особенно у титановых сплавов). Для выноса водорода скорость электролита должна быть не ниже расчетной.
Влияние качества поверхности после ЭХО на механические свойства материала
При эксплуатации деталей на них могут воздействовать статические, динамические (ударные) и циклические (знакопеременные) нагрузки.
Низкая шероховатость поверхности после ЭХО повышает механические свойства материалов, так как качество поверхности одинаково во всех направлениях.
Отсутствие же наклепа поверхности от воздействия инструмента снижает механические показатели, особенно сопротивление усталости.
Ухудшают качество поверхностного слоя микрорастравливание по границам зерен, которое является концентраторами напряжений и наводораживание сплавов.
Предел прочности при статических и ударных нагрузках образцов из конструкционных сталей после ЭХО при растяжении, сжатии, кручении и изгибе такой же, как у механически обработанных образцов.
У образцов из сплавов, склонных к межкристаллитномурастравливанию (никелевых, титановых), предел прочности на растяжение и угол изгиба после ЭХО снижается на 10…15%, поэтому для деталей высоконагруженных конструкций после ЭХО необходимо механически удалять припуск на глубину растравливания:
— для никелевых сплавов припуск-более 0,15 мм;
— для титановых сплавов-более 0,3 мм.
Технологичность деталей при размерной ЭХО
Для более полного использования преимуществ ЭХО необходимо проектировать детали с учетом особенностей процесса анодного растворения сплавов. Следует учитывать, что приЭХО нет разделения на черновые и чистовые операции — при любом режиме ЭХО высота неровностей соответствует чистовым операциям механической обработки, и с возрастанием скорости съема металла шероховатость поверхности снижается. В отличие от механической обработки технологические показания ЭХО даже повышаются с увеличением твердости материала заготовки. Кроме того, при ЭХО инструмент либо вообще не изнашивается, либо изнашивается незначительно.
При использовании ЭХО необходимо удовлетворить следующим требованиям, общим для всех видов заготовок и схем обработки:
1). Поверхность перед ЭХО должна быть очищена от окалины и других неэлектропроводных веществ.
2). В местах, где удаление металла планируют выполнить с применением ЭХО, не допускается местная зачистка поверхности, например, для контроля твердости.
3). ЭХО необходимо проводить после термической обработки заготовки. Это позволяет избежать нарушения точности за счет коробления при термической обработке, предотвращает появления обезуглероженного слоя в готовой детали.
4). При проектировании заготовок припуск не должен быть меньше некоторого предельного значения, определяемого с учетом возможного растворения на обрабатываемых и соседних поверхностях, где металл может раствориться за счет токов рассеяния и ускоренного съема на кромках детали.
5). В технологическом процессе не предусматривают операции и переходы по удалению заусенцев и округлению кромок на поверхностях после ЭХО.
Существуют специфические требования к технологичности для каждой схемы обработки.
При схеме с неподвижными электродами съем металла интенсивно протекает не только в зоне обработки, но и на большом удалении от нее. Например, при удалении заусенцев с зубчатых колес профиль зуба со стороны торца утоняется на 10…30 мкм. Это не влияет на точность зацепления.
При схеме прошивания нужно допускать уклон поверхности по направлению подачи инструмента с уклоном 
=1…5°.
При изготовлении посредством ЭХО больших сквозных отверстий их целесообразно прошивать тонкостенным трубчатым электродом — инструментом.
При электрохимическом точении необходимо предусматривать плавные переходы между участками с различными диаметрами.
Рисунок 3.11 — Рекомендуемые плавные переходы между участками при точении
Угол выбирают в пределах 45…80°, радиус 
=3…10 мм, 
=1…3 мм.
При протягивании погрешность отверстий на концах детали выше, чем на средних участках. Поэтому следует указать в чертежах на концевых участках длиной =5…30мм возможность увеличения внутреннего диаметра d на 0,030…0,08 мм (при внутреннем протягивании) или уменьшение наружного диаметра D на 0,05…0,1 мм (при наружном протягивании).
При обработке по схеме шлифования следует предусмотреть свободный выход круга за шлифуемую поверхность.
УЛЬТРАЗВУКОВАЯ ОБРАБОТКА МАТЕРИАЛОВ
Ультразвуковые колебания (У.З.) — это упругие волны, распространяющиеся в материальных средах (твердых телах, жидкостях, газах).
По частоте УЗ распространяются от верхней границы диапазона слышимости звуков ( 
Гц) до частоты 
Гц Упругие колебания во всех диапазонах частот – звуковых и УЗ – подчиняются одним и тем же физическим законам, но в средах, где распространяются УЗ колебания, возникают специфические эффекты, которые во многих областях техники используются для интенсификации различных процессов.
1. Схема ультразвуковой обработки заготовок
Существует несколько схем размерной обработки заготовок.
1.1.Размерная обработка заготовок из твердых хрупких материалов абразивными зернами, движущимися за счет действия УЗ инструмента.
Данный способ применяется для обработки стекла, керамики, ситаллов, кремния, германия, то есть для материалов, обработка которых другими методами затруднена.
Рисунок 4.1 — Схема прошивания отверстий
1 – УЗ преобразователь; 2 – концентратор; 3 – инструмент — пуансон; 4 – суспензия абразивная; 5 – заготовка; 6 – ванна; 7 – насос; 8 – патрубок; 9 – источник тока; 10 – генератор УЗ частоты.
Под пуансоном-инструментом 3 устанавливают заготовку 5 и в зону обработки под давлением подают абразивную суспензию, состоящую из воды и абразивного материала: карбида бора, карбида кремния или электрокорунда.
Инструмент поджимают к заготовке с силой 1…60 H. Обработка заключается в том, что инструмент 3, колеблющийся с УЗ частотой, ударяет по зернам абразива 4, лежащим на обрабатываемой поверхности, со статической силой 
=30…200 Н; абразивные зерна скалывают частицы материала заготовки 5. Большое число одновременно ударяющихся абразивных зерен, а также высокая частота повторения ударов (до 30 тыс. раз в с.) обусловливает интенсивный съем материала.
Кавитационные явления в жидкости способствуют интенсивному перемешиванию абразивных зерен под инструментом, замене изношенных зерен новыми, а также разрушению обрабатываемого материала.
Прокачивание суспензии насосом исключает оседание абразивного порошка на дне ванны и обеспечивает подачу в зону обработки абразивного материала.
Между пуансоном и заготовкой обеспечивают постоянный зазор 50…80 мкм.
Сообщая инструменту и заготовке различные виды подач (продольную, поперечную) и меняя профиль сечения инструмента, можно прошивать глухие и сквозные отверстия, обрабатывать плоскости, углубления, пазы при прямом и обратном копировании, разрезать заготовки больших размеров, обрабатывать криволинейные и кольцевые пазы по копиру, производить шлифование и полирование.
Рисунок 4.2 — Схема разрезки непрофилированным инструментом – тон кой проволокой
1,7 – катушки; 2 – концентратор; 3 – преобразователь; 4 – проволока — инструмент; 5 – сопло для подачи суспензии; 6 – заготовка.
Принцип работы следующий. Ультразвуковой концентратор 2, соединенный с преобразователем 3, возбуждает колебания в проволоке-инструменте 4, перематываемой с катушки 1 на катушку 7. Заготовка 6 прижимается с небольшим усилием к проволоке 4, а в зону их контакта подается абразивная суспензия из сопла 5.
По такой схеме производят контурное вырезание, обработку пазов и щелей, разрезание заготовок.
1.2. Интенсификация процессов резания при сообщении вынужденных УЗ колебаний металлическим или абразивным режущим инструментом.
Рисунок 4.3 — Схема резания
1 – заготовка; 2 – инструмент; 3 – концентратор; 4 – УЗ преобразователь.
На режущий инструмент 2 подаются УЗ колебания от концентратора 3, соединенного с УЗ преобразователем 4. Режущему инструменту сообщается продольная подача. Заготовка 1 имеет продольную подачу и вращение. В место контакта инструмента и заготовки подается абразивная суспензия.
Такой способ используется при сверлении, зенкеровании, развертывании, нарезании резьб в труднообрабатываемых материалах; при точении и зубодолблении заготовок из вязких металлов, при шлифовании, абразивно-алмазной доводке.
Ультразвуковая обработка позволяет повысить производительность, качество поверхностного слоя, снизить силы резания и крутящий момент. (Например, при нарезании резьбы метчиками крутящий момент уменьшается на 25…50%).
1.3 Очистка шлифовальных кругов 
Рисунок 4.4 — Схема очистки
1 – преобразователь; 2 – концентратор — инструмент; 3 – шлифовальный круг.
Колеблющийся с УЗ частотой инструмент 2, соединенный с УЗ преобразователем 1, располагается на некотором расстоянии от шлифовального круга 3.
В пространство между кругом и инструментом подается очищающая жидкость, в которой при воздействии на нее УЗ колебаний возникают эффекты, способствующие интенсивной очистке поверхности шлифовального круга от засаливания.
Ультразвуковое упрочнение поверхности
Рисунок 4.5 — Схема ультразвукового упрочнения
1 – заготовка; 2 – инструмент; 3 – концентратор; 4 – преобразователь.
Это чистовая обработка. Ультразвуковой инструмент 2 выполнен в виде шарика, который связан с концентратором 3 колебаний, поступающих от преобразователя 4.
Шарик 2 может быть жестко закреплен (припаян), но может и не иметь жесткого контакта с концентратором.
Инструмент прижимается с небольшим усилием к вращающейся заготовке 1. Ультразвуковые колебания значительно снижают сопротивление пластической деформации поверхностного слоя заготовки 1, который приобретает наклеп.
Особенно эффективен этот способ при изготовлении нежестких тонкостенных деталей.
Обработка мелких деталей свободным абразивом
Данная схема применяется в основном для снятия заусенцев.
Рисунок 4.6 — Схема обработки свободным абразивом
1 – ванна; 2 – абразивная суспензия; 3 – деталь; 4 – инструмент; 5 – концентратор; 6 – преобразователь.
Детали 3 помещаются в ванну 1, в которую заливается абразивная суспензия 2. Ультразвуковые колебания в жидкости возбуждаются инструментом 4, торец которого служит дном ванны. Инструмент соединен с УЗпреобразователем 6 через концентратор 5.
Детали 3 находятся в жидкости во взвешенном состоянии. Для ускорения процесса к жидкости прикладывают статическое давление .Удаление заусенцев происходит в результате кавитационного разрушения и обработки абразивными зернами.
Чтобы спроектировать технологический процесс, рационально конструировать аппаратуру, необходимо знать физический механизм воздействия УЗ колебаний, уметь правильно подобрать, а при необходимости рассчитать УЗ преобразователь: рассчитать, спроектировать и изготовить рабочие инструменты.
Технологические показатели ультразвуковой обработки
Влияние технологических и акустических параметров на размерную обработку
Процесс ультразвуковой размерной обработки зависит от многих технологических параметров, как правило, взаимно влияющих один на другой — твердости и концентрации абразива, частоты и амплитуды колебания инструмента, его износа, статической нагрузки.
Каждый из этих факторов влияет на производительность и качество изготовления.
Материал заготовки в значительной степени определяет характер его разрушения. Все материалы по характеру деформации и разрушения при УЗО разделены на три группы. В основу этого деления положен критерий хрупкости — 
. Это есть отношение сопротивления сдвигу к временному сопротивлению на разрыв.
Первая группа, 
— стекло, кварц, ситалл, керамика, германий, кремний, ферриты. При УЗО они практически не подвергаются пластической деформации.
Вторая группа, 1< <2 — твердые сплавы; закаленные, цементированные и азотированные стали, сплавы титана и вольфрама. При УЗО наряду с упругими деформациями происходят и микропластические деформации. Чем большую роль играют пластические деформации, тем хуже обрабатываемость.
Третья группа 
1 — почти вся работа абразивных зерен расходуется на микропластическую деформацию поверхностных слоев; разрушения материала почти не наблюдается. Их нецелесообразно подвергать УЗО.
Абразивная суспензия
Зерна абразива по твердости не должны уступать обрабатываемому материалу.
Обычно применяют карбид бора, который хорошо смачивается водой и благодаря сравнительно небольшой плотности удовлетворительно переносится жидкостью.
Карбид кремния, электрокорунд — применяются для изготовления деталей из стекла, германия.
Если производительность обработки стекла карбидом бора принять за единицу, то производительность обработки карбидом кремния — 0,8…0,85, а электрокорундом — 0,7…0,75.
В качестве жидкости обычно используют воду, обладающую малой вязкостью, удовлетворительной смачивающей способностью и хорошими охлаждающими свойствами. В воду добавляют ингибитор коррозии.
Использование добавок, оказывающих химическое действие на обрабатываемый материал — 15%-ного водного раствора сернокислой меди — повышает производительность обработки твердых сплавов в 1,7…2,5 раза.
Размер зерна абразива — ширина зерна под микроскопом. Уменьшение размера абразивных зерен вызывает снижение производительности (особенно если размеры зерна меньше амплитуды колебаний). С другой стороны, чем меньше зерно, тем выше точность изготовления.
Концентрация абразива в суспензии
Оптимальная концентрация — по всей обрабатываемой поверхности укладывается один слой зерен абразива.
При большей концентрации (в несколько слоев) — увеличивается доля работы, идущей на измельчение самих зерен.