Электрохимическая размерная обработка

(ЭХО)

Размерная ЭХО заключается в получении деталей требуемой геометри­ческой формы, размеров и качества поверхностей путем снятия с поверхно­сти заготовок слоя металла припуска электрохимическим растворением. Электрохимическая обработка основана на явлении анодного растворения металлов при электролизе.

Классификация и схемы процессов ЭХО. Область эффек­тивного применения электрохи­мической обработки обусловлена следующими технологическими особенностями:

Рис. 32.5. Условная схема ЭХО: / — электрод-инструмент; 2 — электролит, 3 — источник питания постоянного (периодического) тока; 4 — обрабатываемая заготовка (анод); 5 — шлам; 8|, 52 — зазоры МЭП; AZm», AZnu, — соответственно, максимальное и минимальное значения припуска на обработку; v, — скорость прокачки электролита через МЭП

- способ позволяет обрабаты­вать только электропроводные материалы;

- производительность способа не зависит от твердости и прочно­сти обрабатываемых материалов и в несколько раз превосходит про­изводительность обработки ре­занием заготовок из высоко­прочных твердых сплавов, ме­таллокерамики и сталей в зака­ленном состоянии;

- способ позволяет обрабатывать поверхности любой формы;

- в металле обработанной поверхности отсутствуют остаточные напря­жения и наклеп.

Недостатком метода является ограничение его применения обработкой только таких электропроводных материалов, которые при растворении не образуют труднорастворимых пленок. Для этих материалов наряду с элек­трохимическим воздействием требуется механическое или электротермиче­ское воздействие, удаляющее образующиеся оксидные пленки.

Рассмотрим схему процесса ЭХО на примере обработки заготовки из железа в электролите — водном растворе хлорида натрия (рис. 32.5). Заго­товка 4 подсоединяется к положительному полюсу источника питания 3 и является анодом (+), а инструмент — к отрицательному полюсу и является катодом (-).

В электролите 2 молекулы вещества диссоциируют на электрически за­ряженные ионы Na⁺ и СГ, а ионы растворителя — на ионы Н⁺ и ОН~. Когда к металлическим электродам, погруженным в электролит, прикладывают раз­ность потенциалов, положительно заряженные ионы (катионы) движутся к катоду, а отрицательно заряженные ионы (анионы) — к аноду, в результате электрическая цепь замыкается. При этом перенос электрических зарядов в металлических проводниках осуществляют электроны, а в электролите — ионы. Изменение носителей заряда в электрической цепи происходит на по­верхности электродов, погруженных в электролит.

На аноде под действием электрического поля электроны перемещаются к источнику питания, «оттягиваясь» от поверхности анода внутрь металла,

облегчая непосредственное взаимодействие молекул воды с положительны­ми ионами решетки металла анода.

Это явление нарушает межатомные связи в приповерхностном слое ме­талла и обусловливает переход положительных ионов металла в электролит — растворение анода. В электролите ионы металла анода образуют гидроксид металла Fe(OH)₂, который выпадает в осадок в виде шлама и уносится дви­жущимся электролитом со скоростью прокачки v_}.

Кинематика операций ЭХО во многом схожа с кинематикой процессов электроэрозионной обработки, но имеет некоторые особенности. Так, некоторые операции ЭХО, не требующие съема больших объемов металла, такие, как поли­рование, калибрование и маркирование, выполняются при неподвижных элек­тродах (рис. 32.6). Стрелками указаны направления подачи инструмента и заго­товки, а также направления движения электролита в межэлектродном зазоре.

Основные процессы и параметры ЭХО. Основным электрохимиче­ским процессом ЭХО является процесс растворения анода. Линейная ско­рость растворения, характеризующая производительность ЭХО, определяет­ся из первого закона Фарадея. После ряда преобразований, учитывающих реальный процесс электролиза, уравнение для линейной скорости растворе­ния анода принимает следующий вид:

"_л=(М>Ч)Л.(^-Лф)/5, (32.4)

где к — электрохимический эквивалент растворяемого вещества; Хэф — эф­фективная удельная электрическая проводимость электролита; Т|, — коэф­фициент, учитывающий потери тока на нагрев электролита и др.; £/, — на­пряжение, приложенное к электродам; Дер — сумма электродных потенциа­лов поляризации анода и катода; 5 — межэлектродный зазор (МЭЗ) в рас­сматриваемом участке МЭП между поверхностями электродов, измеренный по нормали к обрабатываемой поверхности.

Из уравнения (32.4) следует: 1. Скорость растворения участков анода, при прочих равных условиях, обратно пропорциональна значению МЭЗ на

v_n 5, этих участках: — - = —. Этим объясняется выравнивание поверхности ано-

да в МЭП при ЭХО и повышение производительности обработки с уменьше­нием зазора. Минимально допустимым зазором при ЭХО принят зазор 0,02 мм.

2. При подаче напряжения на электроды растворение анода идет с раз­ной скоростью, но по всей обрабатываемой поверхности, что осложняет по­лучение деталей с требуемой точностью размера и формы.

3. Скорость растворения зависит от электрической проводимости элек­тролита, поэтому факторы, влияющие на электрическую проводимость, оп­ределяют производительность ЭХО.

4. Скорость растворения возрастает с увеличением напряжения. Однако экспериментально установлено, что при С/_э = 30 В происходит электрический пробой зазоров, используемых при ЭХО, поэтому обработка ведется при напряжении -15 В.

Электролиты. Электрическая проводимость электролита зависит от его состава и происходящих в электролите явлений. Наиболее распростра­ненными электролитами при ЭХО являются нейтральные водные растворы неорганических солей: хлориды, нитраты и сульфаты натрия и калия. Приго­товление электролитов требуемого состава и концентрации относится к ос­новной операции ЭХО. Оптимальные значения концентраций, обеспечи­вающих максимальное значение электрической проводимости электролита заданного состава, приводятся в справочной литературе. Например, макси­мальная электрическая проводимость электролита NaOH обеспечивается при его концентрации в воде, равной 15%.

Концентрация электролита в процессе ЭХО может изменяться из-за об­разующегося шлама, нарушая при этом процесс ЭХО и снижая его произво­дительность. Постоянство концентрации электролита обеспечивается техно­логически — его очисткой. Для этого используются методы центрифугиро­вания (воздействия центробежных сил), фильтрования с помощью пористых материалов, отстаивания в специальных резервуарах и флотации — очистки всплывающими пузырьками газа или воздуха.

На электрическую проводимость электролита существенное влияние оказы­вает сопутствующий электролизу нагрев электролита проходящим током. Так, нагрев электролита из водного раствора солей на один градус увеличивает его электрическую проводимость на 2—2,5%. Поэтому при ЭХО для выведения шлаков и выравнивания температуры электролита применяют прокачку электро­лита через МЭП под давлением. Необходимая скорость течения электролита и_э определяется из условия удаления продуктов электролиза со скоростью, превы­шающей скорость их образования, и технологически задается давлением вводи­мого в раствор электролита. Для стабилизации температуры электролита в стан­ках ЭХО применяют теплообменники с автоматическими терморегуляторами, встроенными в систему подачи электролита.

Точность размеров и формы деталей при ЭХО определяется точностью электрода-инструмента и точностью его положения при обработ­ке относительно оси его главного движения, неравномерностью AZ припуска заготовки и стабильностью всех параметров режима, ответственных за про­чесе электрохимического растворения.

Во всех случаях ЭХО подвижным и неподвижным инструментом форма и размеры обрабатываемых поверхностей определяются как сумма или раз­ность размеров ЭИ и межэлектродного зазора соответственно для наружных и внутренних поверхностей. Поэтому их точность зависит от точности ЭИ и стабильности зазора в процессе обработки. В процессе обработки ЭИ не из-606

нашивается, однако, находясь в электролите, он может корродировать, по­этому рабочую часть электродов изготавливают из нержавеющей стали, а при изготовлении электродов сложной формы используют хорошо обраба­тываемые коррозионностойкие медные сплавы — латунь и бронзу. Поверх­ность ЭИ обрабатывается с точностью, на два класса превышающей требуе­мую точность обрабатываемой заготовки.

Величина зазора (5) оказывает влияние на точность обработки. Сниже­ние величины зазора до минимально допустимого (0,02 мм) обеспечивает наибольшую точность. Стабильность величины зазора в процессе ЭХО обес­печивается стабилизацией параметров режима v„, х, температуры электроли­та и скорости подачи инструмента v_u за счет автоматизации процесса и при­менения специальной аппаратуры. Так, постоянство заданного напряжения обеспечивается стабилизатором напряжения; скорость подачи — прецизион­ным приводом подачи и системой ее регулирования; температура — тепло­обменниками с терморегуляторами; концентрации электролита — прокачкой и очисткой электролита.

Снижение наследственного влияния неравномерности припуска AZ на точ­ность формы заготовки решается технологическими методами. Во-первых, повышением точности исходных заготовок, выполняемых методами литья, ОМД и порошковой металлургии. Во-вторых, увеличением припуска на об­работку, в 6—9 раз превышающего исходную погрешность AZ_mn. В этом случае обеспечивается условие для выравнивания всей обрабатываемой поверх­ности, но тем не менее метод обеспечивает точность формы не выше ±0,1 мм.

Шероховатость поверхности и эксплуатационные свойства. Шероховатость обработанных ЭХО поверхностей определяется процессами растворения электрода, удаления шлама, исходной шероховато­стью и фазовым составом материала заготовки.

Повышение анодной плотности тока, увеличение скорости прокачки электролита под большим давлением и снижение его температуры повыша­ют чистоту обработанной поверхности.

Процесс ЭХО не оказывает на обрабатываемую поверхность ни темпе­ратурного, ни силового воздействия, в поверхностных слоях отсутствуют остаточные напряжения и не происходят структурные изменения. Поэтому ЭХО обеспечивает высокое качество поверхностей с шероховатостью в диа­пазоне Эксплуатационные свойства поверхностей находятся на уровне свойств материала.

Однако при значительной химической и фазовой неоднородности обраба­тываемых материалов наблюдается явление растравливания границ зерен и фаз на глубину до 0,01 мм. В этом случае эксплуатационные свойства детали, чувст­вительные к надрезу (циклическая, ударная прочность), снижаются на 5—10%.

К параметрам режима ЭХО относятся: напряжение на электродах, ток, скорость подачи ЭИ, величина межэлектродного зазора, давление прокачи-

ваемого электролита и его состав. В качестве оборудования для размерной ЭХО используются станки, которые состоят из: источника тока в виде вы­прямителя (ток 5000—30000 А); электрохимической ячейки, в которой про­исходит анодное растворение обрабатываемого материала; системы прокач­ки электролита с устройствами для термостабилизации и очистки; системы подачи катода, поддерживающей постоянным значением МЭП. Процесс ЭХО обеспечивает широкое регулирование режимов от черновых до чисто­вых без съема детали со станка.

В современных станках процессом обработки управляет система ЧПУ. Она задает и контролирует значения напряжения и тока, постоянство рабоче­го зазора, скорость и концентрацию потока электролита. Универсальные электрохимические станки позволяют обрабатывать поверхности площадью 600 см² и более с точностью ±(0,1—0,3) мм и производительностью по стали 5—25 см³/мин.

Примеры технологических операций ЭХО. Заготовительные операции. Методы ЭХО используют для резки заготовок из труднообра­батываемых жаропрочных сталей и сплавов, титановых сплавов и высоко­прочных сталей. Дисковым и ленточным металлическим инструментом раз­резают ленточный прокат, а вырезку фасонных заготовок из листа выполня­ют на станках с ЧПУ (рис. 32.6, д). Положительной особенностью способа яв­ляется отсутствие на заготовке заусенцев.

Формообразующие операции широко применяют при изго­товлении деталей методами копирования, электрохимического точения и прошивания (рис 32.6, а, б, в).

Объемным копированием получают лопатки турбин из жаропрочных и титановых сплавов; рабочие элементы ковочных штампов и пресс-форм из высокопрочных инструментальных сталей; глухие полости, отверстия слож­ной формы в машиностроительных и приборных деталях из труднообраба­тываемых металлов и сплавов (точность обработки ±0,1 мм).

Электрохимическое калибрование выполняют при под­вижном и неподвижном ЭИ (рис. 32.6, г). Например, ЭХО после механиче­ской обработки шнеков, точность формы и размеров винтовых поверхностей возросла в 3-—4 раза, а шероховатость снизилась до °'ty— °%

Отделочные операции — удаление заусенцев и полирование поверхностей — выполняют при неподвижных электродах. ЭХО позволяет удалять заусенцы в труднодоступных местах, например во внутренней по­лости при пересечении отверстий, полученных сверлением.

Электрохимическое полирование улучшает микрогеомет­рию деталей, снижая ее шероховатость на 2—3 класса, увеличивает прочно­стные характеристики обработанной поверхности, придает ей зеркальный блеск, получая шероховатость ^0,02>/.

м

V окр Л

/

Рис. 32.6. Кинематическая схема операций ЭХО:

а — объемное копирование; б — прошивание; в — отрезка; г — калибрование,

д — вырезка; / — ЭИ, 2 — заготовка; 3 — подача электролита

Процесс широко используется при изготовлении ответственных деталей, металлической оптики и подготовке поверхности для нанесения покрытий.

32.3. Ультразвуковая абразивная размерная

обработка

Ультразвуковая абразивная размерная обработка (УЗАО) заключается в изменении размеров, формы, шероховатости и свойств поверхности обраба­тываемых заготовок за счет съема материала припуска хрупким скалыванием микрообъемов при импульсном ударном силовом воздействии частиц сво­бодного абразива с ультразвуковой частотой/= 16—30 кГц.

Общие положения и схемы обработки. Ультразвуковая абразивная обработка эффективна при обработке заготовок из конструкционных мате­риалов, имеющих низкую обрабатываемость резанием, электрофизическим и электрохимическим методами. Это заготовки из хрупких и твердых неэлек­тропроводных, химически стойких материалов, таких, как стекло, кварц, ке­рамика, ситалл, алмаз, полупроводники (германий, кремний, арсенид гал­лия), азотированных и цементированных сталей и др.

^лШШ^

При обработке используется энергия ультразвуковых колебаний (рис. 32.7). Обрабатываемую заготовку / помещают в ванну под инструмент 2. В зону обра­ботки поливом или под давлением пода­ют абразивную суспензию 3, состоящую из абразивного материала и воды.

Рис. 32.7. Условная схема процесса УЗАО: / — заготовка; 2 — ультразвуковой инструмент, 3 — абразивная суспензия

Акруговой Д

(при вращении детали или инструмента).

Главное движение при ультразвуко­вой обработке — продольные колебания торца инструмента с ультразвуковой час­тотой и амплитудой А_к. Движение инст­румента относительно заготовки являет­ся вспомогательным движением подачи которая может быть различной: продольной D,, поперечной D_s и

В ходе обработки инструмент обеспечивает постоянный прижим абразив­ных зерен к обрабатываемой поверхности детали с усилием F_m равным 1—60 Н.

Колеблющийся торец инструмента, ударяя по абразивным зернам, передает им энергию колебаний, а зерна, в свою очередь, из-за наличия острых граней откалывают частицы от хрупкого материала обрабатываемой заготовки.

Кавитационные явления, возникающие в жидкой суспензии при воздей­ствии ультразвуковых колебаний, обеспечивают интенсивное перемещение абразивных зерен под инструментом, замену изношенных зерен новыми и вынос сколотых частиц обрабатываемого материала из зоны обработки.

Рис. 32.8. Кинематические схемы операций УЗО: а — копирование; б — вырезание непрофилиро-ванным инструментом; в — шлифование профи­лированным инструментом; д — вырезание от­верстий; 1 — деталь; 2 — инструмент; 3 — по­дача абразивных зерен; 4 —стеклоподкладка

Источником механических ко­лебаний, сообщаемых инструменту, является пьезоэлектрический или магнитоэлектрический преобразова­тель, преобразующий высокочас­тотные электрические колебания, вырабатываемые специальными ге­нераторами, в механические коле­бания. Принцип работы преобразо­вателя и генератора тока аналогичен соответствующим устройствам, ис­пользуемым для сварки (см. разд. 4).

Изменяя форму инструмента и вид подачи, можно осуществить различные операции ультразвуко­вой обработки свободными абра­зивными зернами. 610

По кинематике процессы УЗАО полностью идентичны ЭЭО. Все схемы обработки делятся на три группы (рис. 32.8).

1. Получение поверхности заготовки копированием формы профильного инструмента. Инструмент внедряется в заготовку при своем поступательном движении (рис. 32.8, а).

2. Формирование поверхности заготовки взаимным перемещением заго­товки и непрофилированного инструмента (рис. 32.8, б).

3. Формирование поверхности путем взаимного перемещения профиль­ного инструмента и заготовки (рис. 32.8, в).

Основы процесса УЗАО. Суспензия является фактическим инструмен­том, осуществляющим съем материалов при всех операциях УЗАО. Абра­зивная суспензия, применяющаяся при УЗАО, по массе включает 20—40% абразивного материала, 1—2% ингибитора — азотнокислого натрия (ЫаЖЬ), остальное — вода. Высокое содержание воды в суспензии обеспе­чивает циркуляцию абразива в рабочей зоне и удаление продуктов обработ­ки. В качестве абразивных материалов применяются эльбор (BN), алмазные порошки (С), карбид бора (В₄С), карбид кремния (SiC) и электрокорунд (А1₂0₃).

Основной технологической характеристикой абразивных материалов являются их режущая способность относительно режущей способности ал­мазного порошка и размер абразивных зерен.

При УЗАО прецизионных деталей небольшой площади (до 30 мм²) аб­разивную суспензию подают в рабочую зону вручную: пипетками, кисточка­ми или резиновой грушей. Большие площади обрабатывают с принудитель­ной подачей абразивной суспензии поливом, нагнетанием и вакуумным от­сосом через технологические отверстия.

Инструменты при УЗАО представляют собой сменные элементы коле­бательной системы. Они обеспечивают передачу ультразвуковых колебаний абразиву и при этом быстро изнашиваются.

Форма и размеры рабочей части инструментов для большинства опера­ций формообразования повторяют размеры и форму обрабатываемых эле­ментов детали. Для снижения величины износа инструмент изготавливают из пластичных, но достаточно твердых отожженных сталей — У 8, У10, 40Х, 45. Инструменты со сложной формой рабочей части для операций объемного копирования и маркирования изготавливают из латуни.

Наиболее интенсивно изнашивается рабочий торец инструмента. Сте­пень износа инструментальных материалов оценивается по отношению к износу заготовки.

Ориентировочные значения относительного износа при обработке инст­рументом из стали 45 различных материалов следующие: стекла — 0,5—1%; керамики — 2—10%; твердых сплавов — 40—150%. Таким образом, со снижением хрупкости обрабатываемого материала износ инструмента воз­растает.

Для повышения износостойкости поверхность инструментов упрочняют закалкой, цементацией, азотированием и наклепом.

Характеристики размерной ультразвуковой обра­ботки. Точность полученных размеров и значения шероховатости поверх­ности соответствуют значениям, получаемым при шлифовании (см. с. 582).

Производительность обработки можно оценивать в линейных Q„ (мм/мин) или объемных Q_v (мм³/мин) единицах. Она зависит от свойств об­рабатываемого материала, используемого абразива, размеров его зерен, спо­соба подачи абразива, режима ультразвукового воздействия.

На практике для определения производительности Q„ процесса УЗАО пользуются следующей эмпирической формулой:

& = V(>X)'7\ (32.5)

где \у — коэффициент, учитывающий вид обрабатываемого материала и абразивной суспензии; А* — амплитуда колебаний; а и b — коэффициенты, учитывающие скорость подачи суспензии и площадь обработки; F — отно­сительное усиление рабочей подачи; / — частота колебаний.

Значения всех коэффициентов содержатся в справочных материалах по УЗАО. При УЗАО, так же как и при обработке резанием, и при ЭЭО увеличение производительности вызывает снижение точности обработки, поэтому обработку следует выполнять как минимум за два прохода — черновой, обеспечивающий высокую производительность, и затем чистовые, позволяющие обеспечить требуемую точность.

Основные технические характеристики размерной ультразвуковой абра­зивной обработки приведены в табл. 32.3.

Таблица 32.3. Основные характеристики размерной ультразвуковой

обработки

Обрабатываемый материал	Производитель­ность, мм/мин	Чистота поверхности	Точность 'обработки, мм	Относительный из­нос инструмента, %
Стекло, кварц, ситалл	5—20	4—6	0,05—0,1	0,5—1
Ферриты	3—8	6—7	0,03—0,1	1—2
Твердые сплавы	0,05—0,3	6—8	0,02—0,05	40—100

Станки для УЗАО по своему исполнению аналогичны станкам для ульт­развуковой сварки, приведенным в разд. 4.

Примеры технологических операций УЗАО. Перед УЗАО заготовки из твердых, хрупких материалов приклеивают к подкладке из оконного стек­ла, что предотвращает образование сколов при выходе инструмента из заго­товки в конце обработки.

Ультразвуковую вырезку (рис. 32.8, г) используют для фор­мообразования заготовок по наружному контуру. Плоские заготовки выре­заются из пластин полыми, одно- или многоместными инструментами. При групповой вырезке часовых камней из рубина многоместным инструментом в виде набора трубок одновременно вырезается 35 заготовок диаметром 1,6 мм и толщиной 1 мм. Используя абразивную эмульсию с карбидом бора, вырезку осуществляют за 3,5 мин.

Ультразвуковая прошивка (см. рис. 32.8, д) является наибо­лее распространенной операцией при получении сквозных отверстий раз­личной формы с прямыми и криволинейными осями, пазов и щелей.

Прошивка сквозных отверстий осуществляется полым инструментом с прокачкой абразивной суспензии под давлением через центральное отверстие.

В серийном производстве при прошивке используется многоместный инструмент. Так, в пластине из феррита толщиной 1 мм одновременно полу­чают 256 отверстий за 1 мин.

Ультразвуковое шлифование (рис. 32.8, в) используют пре­имущественно для чистовой обработки плоских наружных поверхностей вместо шлифования алмазным инструментом. При этом исключаются дефек­ты, присущие шлифованию, такие, как прижоги и трещины, достигается вы­сокая точность —0,01 мм, примерно в 2 раза возрастает производительность, снижается шероховатость поверхности.

Ультразвуковое удаление заусенцев основано на кави-тационном и абразивном разрушении заусенцев. Обработка ведется в рабо­чей жидкости, где обрабатываемые заготовки и абразивные зерна удер­живаются во взвешенном состоянии под действием акустических тече­ний, возбуждаемых ультразвуковыми колебаниями. Ультразвуком ус­пешно обрабатываются заусенцы металлических деталей, полученные при штамповке методами вырубки, литые детали из пластмасс при сня­тии облоя.

32.4. Лучевые методы размерной обработки

К лучевым методам электрофизической обработки относятся электронно­лучевая (ЭЛО) и светолучевая (СЛО) обработки. Различие носителей энергии обусловило технологические особенности методов лучевой обработки.

Электронно-лучевая размерная обработка (ЭЛО). При электронно­лучевой размерной обработке для съема материала при формообразовании используют кинетическую энергию сфокусированного пучка электронов (рис. 32.9). Процесс ЭЛО осуществляется в вакууме при остаточном давле­нии газа 5-Ю"²— 10^_3 Па.

к насосу j

Рис. 32.9. Условная схема про­цесса электронно-лучевой об­работки: / — электронно-лучевая пушка; 2 — катод; 3 — анод; 4 — фокуси­рующие и отклоняющие катушки; 5 — вакуумная камера; 6 — обра­батываемая деталь; 7 — коорди­натный стол

Формирование, фокусировка и управле­ние электронным лучом осуществляются в электронной пушке. Электроны, эмиттируе-мые катодом, ускоряются напряжением до 150 кВ, в результате скорость электронов в луче достигает 20*10⁴ м/с. После фокусировки плотность энергии в пучке составляет 10⁸— 10⁹ Вт/см². Сфокусированный пучок электро­нов проходит в рабочую камеру и бом­бардирует обрабатываемую поверхность. При бомбардировке кинетическая энергия электронов преобразуется в тепловую энер­гию обрабатываемого вещества. Преобра­зование происходит при неупругих столк­новениях быстрых электронов с электрона­ми атомов вещества и последующем взаи­модействии возбужденных атомов с атом­ной решеткой, вызывающем увеличение температуры вещества.

Электронно-лучевой нагрев ведется в импульсном режиме. При используемой удельной мощности тепловое воздействие луча приводит к разрушению нагреваемого микрообъема материала за время одного им­пульса. Разрушение происходит по механизму взрывного вскипания с выносом материала из зоны обработки в виде паров и капель. В результате на бомбардируемом элек­тронным лучом участке поверхности формируется лунка.

На поверхности лунки образуется слой оплавленного металла, снижаю­щий точность обработки. Размеры лунки, нагрев и доля жидкого металла на ее стенках регулируются мощностью и длительностью импульса, а также диаметром луча.

Формируемые в результате электронно-лучевой обработки поверхности определяются траекторией взаимного перемещения луча и детали. Устанав­ливаемый в рабочей камере манипулятор позволяет придавать заготовке по­ступательное и вращательное движение, а установленная в электронной пушке электромагнитная система развертки позволяет сканировать (переме­щать) электронный пучок по заданному контуру.

Основные операции обработки — сверление глухих и сквозных отвер­стий, в том числе под углом к поверхности, — выполняются при неподвиж­ном изделии и луче; фрезерование сквозных и глухих пазов, контурная резка листового материала выполняются при перемещении изделия относительно 614

неподвижного луча или сканировании луча по контуру реза при неподвиж­ном изделии.

Технологические параметры. Параметрами режима ЭЛО яв­ляются: ток луча /, ускоряющее напряжение U, ток фокусирующей системы /ф (определяющий диаметр электронного пучка d), рабочее расстояние (фо­кусное расстояние от центра фокусирующей системы до поверхности дета­ли), скорость перемещения электронного луча относительно изделия х>.

Одним из определяющих параметров процесса является удельная мощ­ность q (Вт/см²):

а= ^Ш_л1, (32.6)

где D — диаметр лунки (обычно на 10—15 % больше d).

При ЭЛО применяют исключительно импульсные режимы, снижая ко­личество расплавленного металла на обрабатываемой поверхности.

Для размерной ЭЛО характерны следующие режимы: моноимпульсный — обработка ведется одиночным импульсом, т. е. отверстие получается за вре­мя одного импульса; многоимпульсный — отверстие формируется в резуль­тате последовательного воздействия нескольких импульсов; режим обработ­ки с перемещением электронного луча относительно заготовки с заданной скоростью.

Установлены следующие эмпирические соотношения параметров режи­ма с геометрическими параметрами образующихся отверстий и пазов.

Диаметр d_K и глубина Н отверстия увеличиваются с ростом энергии W линейно, а зависимость d_K и Н от длительности импульса т и тока луча имеет степенной характер:

d_K = k_EW; H=c_EW;

d_K = к,1"; Н = (а1^г + Ы+ el)'¹; (32.7)

d_K = k_xx^m; Н = сУ,

где kg, k_h Ъ, c_T, c_E, a,b, с — коэффициенты, зависящие от свойств обрабаты­ваемого материала, приводятся в справочной литературе.

Угол сходимости луча и положение фокуса луча относительно обраба­тываемой поверхности определяют размеры и форму отверстия. Наиболь­шую глубину и наименьший диаметр отверстия в результате воздействия единичного импульса достигают при заглублении фокуса на 0,1—0,3 мм от­носительно обрабатываемой поверхности. В этом случае глубина обработки возрастает на 30%. При оптимальном положении фокуса и длительности единичных импульсов, обеспечивающих максимальную производительность обработки, глубина микроотверстий в зависимости от тока луча, напряжения и числа единичных импульсов выражается эмпирической зависимостью

а б в

Рис. 32.10. Схемы ЭЛО:

а — перфорация отверстий; б — контурная резка; в — фрезерование сквозных и

глухих пазов

Я = 4,4-1(Г^|3С/⁶'⁰²/^1>У-⁶. (32.8)

Процесс импульсной ЭЛО на оптимальных режимах характеризуется наличием минимального количества жидкой фазы и, как следствие, высокой точностью обработки.

Область применения ЭЛО. Электронным лучом обрабатыва­ются как электропроводные, так и неэлектропроводные материалы. Их обра­батываемость не зависит от механических свойств материала, а определяется его физическими характеристиками: температурой плавления, теплоемко­стью, удельной теплотой испарения и упругостью пара.

В первую очередь электронный луч применяют для размерной обработ­ки твердых труднообрабатываемых материалов, таких, как алмаз, вольфрам, титан, твердые и высоколегированные сплавы, ковар, инвар, кварц, керами­ка, рубин, кристаллы кремния, германия, резистивные пленки на ситалловой и кварцевой подложках.

В качестве эффективных примеров применения ЭЛО можно назвать следующие. Перфорация отверстий (рис. 32.10, а — получение сквозных и глухих отверстий) в различных материалах используется при изготовлении фильтров, «потеющих» поверхностей для охлаждения камер сгорания и ло­паток турбин. ЭЛО при моноимпульсном режиме обеспечивает получение отверстий диаметром 0,015—0,3 мм с максимальной глубиной 3—5 мм со скоростью перфорации до 5000 отв./с.

Изготовление единичных сквозных и глухих отверстий при сверлении кремниевых и ситалловых подложек, рубиновых часовых камней, черновом сверлении алмазных волок, при изготовлении топливной аппаратуры двига­телей внутреннего сгорания и других изделий. Метод обеспечивает получе-616

ние отверстий диаметром 0,01—0,5 мм с максимальной глубиной 10 мм (для металлов) и 15—20 мм (для диэлектриков).

Формообразование деталей сложной формы из листа и пластин с ис­пользованием контурной резки (рис. 32.10, б). Метод позволяет получать детали из феррита, кремния, германия и фильеры с шириной реза 0,015—0,4 мм при наибольшей глубине обработки 3 мм. Фрезерование сквозных и глу­хих пазов приведено на рис. 32.10, в.

ЭЛО обеспечивает высокую точность и малую шероховатость обрабо­танной поверхности. Так, шероховатость составляет: при сверлении отвер­стий — °'\j —'•>/; контурной резке — °'fy—^Rz8>/, а точность получаемых отвер­стий составляет ~1 % от диаметра.

К недостаткам метода относятся: необходимость использования вакуумной среды при обработке любых материалов; ограниченный круг выполняемых опе­раций; высокая стоимость высоковольтного и вакуумного оборудования.

Светолучевая (лазерная) размерная обработка использует для съема материала при формообразовании деталей сфокусированный поток электро­магнитной энергии высокой мощности, сформированный оптическим кван­товым генератором (ОКГ). Светолучевая (лазерная) обработка (СЛО) во многих случаях заменяет электронно-лучевую, так как лазерная обработка ведется на воздухе и не требует специальных вакуумных камер. Она позво­ляет обрабатывать любые материалы независимо от их твердости и вязкости. Метод используется для сверления отверстий, вырезания заготовок, фрезе­рования пазов и т. д.

Благодаря созданию мощного промышленного оборудования лазерная размерная обработка используется не только для обработки прецизионных деталей, но и в машиностроении.

Схемы процессов приведены на рис. 32.11, а, б.

Интенсивный поток электромагнитной энергии формируется оптиче­ским квантовым генератором (ОКГ). В зависимости от технологической за­дачи диаметр луча в фокусе оптической системы составляет 0,001—0,2 мм и удельная мощность 1-Ю⁶—1-Ю⁹ Вт/см².

Падающий на поверхность обрабатываемого материала световой поток частично отражается, а основная часть его поглощается электронами прово­димости в поверхностном слое материала, увеличивая их энергию. Электро­ны передают энергию кристаллической решетке, вызывая нагрев, плавление и испарение металла. Нагрев при СЛО ведется в импульсном режиме. При удельной мощности 10⁷—10⁸ Вт/см² тепловое воздействие луча вызывает разрушение нагреваемого материала за время одного импульса. Разрушения происходят по механизму взрывного объемного вскипания с выносом мате­риала в виде паров и капель. Вскипанию способствуют растворенные в мате­риале газы. В результате на участке воздействия лазерного луча формирует­ся лунка.

^

^

«йог

Практическое использо­вание разрушения металлов объемным выкипанием и осо­бенно испарением требует высоких энергозатрат. Замет­ное снижение энергозатрат достигается использованием вспомогательного газа для удаления продуктов разруше­ния из зоны обработки.

При лазерной резке излу­чение ОКГ обеспечивает ло­кальное плавление металла, а удаление расплава из канала реза осуществляется динами­ческим воздействием газа (см. рис. 32.11,6).

шлам (оксиды, расплав)

В процессе облучения часть падающего светового луча отражается от обрабаты­ваемой поверхности. Для сни­жения отражения при СЛО используется чернение обра­батываемой поверхности.

Рис. 32.11.Условные схемы лазерной обработки (а) и газолазерной резки (б): / — оптический квантовый генератор; 2 — зеркало; 3 — затвор; 4 — линза; 5 — окно; 6 — обрабатывае­мое изделие; 7 — лунка (кратер)

Эффективным способом повышения КПД процесса газолазерной резки металлов и горючих материалов (поли­меров, дерева и т. п.) является использование в качестве газа

струи кислорода или воздуха. Этот процесс получил название газолазерной резки. Струя кислорода способствует предварительному окислению металла и уменьшению его отражательной способности; вступая в газотермическую реакцию с нагреваемым материалом, усиливает термические воздействия светового излучения и способствует удалению расплава из зоны реза.

Технологические основы процесса СЛО. Для размерной СЛО харак­терны следующие схемы обработки: моноимпульсная — обработка ведется одиночным импульсом ОКГ и отверстие получают за один импульс; много­импульсная — отверстие получают при последовательном воздействии не­скольких импульсов; режим импульсной обработки с перемещением свето­вого луча относительно заготовки; режим фрезерования и газолазерной рез­ки с перемещением светового луча относительно заготовки. 618

Установлены основные соотношения параметров режима с геометриче­скими параметрами образующихся отверстий, пазов и резов, выполняемых СЛО. При прошивке отверстий лазером с заданной длительностью импульса глубина отверстия и его диаметр определяются из следующих соотношений:

i,	"', У- </ = 2з|гу	И I- t£r<W">V
4*9/2* 'МФ)'
	3^Htg(9/2) "4,

Л = Л—^Г±^\ + . ?^W" г; -r,tg(q>/2); (32.9)

(32.10)

где W„ — энергия излучения в импульсе; L„ — удельная энергия испарения вещества; /■/— радиус сфокусированного пятна; ф/2 — половинный угол раство­ра светового конуса; п — число импульсов при многоимпульсной прошивке.

Повышение качества и точности обработки обеспечивается уменьшени­ем количества образующейся в процессе формирования отверстия жидкой фазы за счет обработки короткими импульсами и многоимпульсной обработ­ки при минимальной энергии в импульсе.

При газолазерной резке взаимосвязь геометрических параметров реза с параметрами режима качественно оценивается из баланса энергии при резке:

hvb(c_pT_{m +} L_m) = r\P, (32.11)

где Ъ и h —глубина и ширина реза соответственно; v — скорость резки; Ь_ш — удельная энергия плавления металла; ц — эффективность процесса, равная произведению эффективного и термического КПД; Р — суммарная мощ­ность лазерного излучения и экзотермической реакции окисления.

Так как при лазерной резке и фрезеровании пазов ширина реза близка по своему значению к диаметру лазерного луча, то из уравнения (32.11) сле­дует, что при резке листа толщиной я скорость резания v пропорциональна мощности Р. Из того же соотношения следует, что скорость резания v обрат­но пропорциональна толщине листа.

Операции СЛО включают операции резки и контурной обработки лис­тового материала, перфорации и сверления отдельных отверстий, фрезеро­вания сквозных и глухих пазов, скрайбирования, обработки покрытий и пле­ночных структур.

Операции сверления прецизионных отверстий, перфорации и фрезеро­вания пазов и скрайбирования производятся преимущественно с помощью импульсных лазеров на гранате и С0₂-лазеров, работающих в импульсном периодическом режиме.

Технологические возможности лазерной технологии на указанных оне-рациях сравнимы с возможностями электронно-лучевой технологии.

При выполнении указанных операций обрабатывают практически лю­бые материалы; получают отверстия малых диаметров (от нескольких мик­рометров до 0,3 мм) с соотношением глубины к диаметру, равным 10—25; метод используется при получении отверстий, ось которых расположена под углом к обрабатываемой поверхности; метод обеспечивает получение как глухих, так и сквозных отверстий пазов.

По своей производительности СЛО успешно конкурирует на прецизи­онных операциях с ЭЛО. На сегодняшний день, при выполнении прецизион­ных операций, СЛО уступает ЭЛО по точности, поэтому СЛО часто исполь­зуют в качестве черновой обработки с последующим повышением точности методами механической, ультразвуковой или электрохимической обработки.

Наибольшее применение в промышленности среди операций СЛО на­шли операции газолазерной контурной обработки и резки листовых материа­лов толщиной 0,2—10 мм. В этом диапазоне лазерная резка успешно конку­рирует с существующими газоэлектрическими методами, обеспечивая каче­ство реза, достаточное для того, чтобы либо полностью, либо частично ис­ключить последующую обработку кромки. Наиболее целесообразно ее ис­пользование для получения деталей сложного контура в условиях мелкосе­рийного производства из наиболее применяемых конструкционных сплавов: углеродистых и нержавеющих сталей, титана и алюминия.

Ориентировочные режимы резания С0₂-лазером (d, = 0,2 мм) различных металлических материалов приведены в табл. 32.4.

Таблица 32.4. Режимы и параметры резов конструкционных материалов и сплавов

Материал	Толщина листа, мм	Мощ­ность лазера, Вт	Скорость резки, м/мин	Давление газа, МПа	Параметры резов
ширина, мм	глуби­на ЗТВ, мм	шерохо­ватость, мкм
Углероди­стая сталь	1,0 10,0	1000 1000	6,0 0,37	0,15 0,15	0,41 0,82	0,08 0,4
Нержа­веющая сталь	2,0		3,5	0,25	0,39	0,98	—
Титан	2,0		2,2	0,15	0,344	—	—
Алюминий	2,0		0,2	0,15	0,377	—	—

В зоне термического влияния на поверхности реза располагается литой оплавленный металл, насыщенный газом с измененным химическим соста­вом из-за выгорания и диффузии химических элементов. В литой зоне на­блюдаются поры, трещины и внутренние напряжения. Далее следует зона

металла, испытывающего воздействия высоких температур, с измененным химическим и структурным составом.

Толщина слоя зоны термического влияния не превышает 0,2—0,5 мм, но ее наличие необходимо учитывать при оценке эксплуатационных свойств получаемых деталей. Так, обработанная поверхность сталей и титановых сплавов в результате резки упрочняется вследствие закалки, поверхность высоколегированных сталей изменяет механические свойства (коррозион­ную стойкость, жаропрочность и т. п.). Поэтому вопрос о необходимости последующей обработки дефектного слоя решается в каждом конкретном случае исходя из эксплуатационных требований к деталям.

Для прецизионной резки тонколистовых конструкций, прошивки от­верстий и фрезерования пазов в конструкционных материалах использу­ют импульсно-периодическое излучение твердотельных лазеров. В этом случае получают более точные и качественные резы, однако производи­тельность резки в этом случае намного ниже. Расширяется применение лазерной и газолазерной резки и контурной обработки неметаллических материалов. Обрабатываемые материалы и режимы обработки приведе­ны в табл. 32.5.

Таблица 32.5. Режимы лазерной и газолазерной резки неметаллических

материалов

Материал	Толщина обра­батываемого материала, мм	Скорость резки, м/с	Мощность из­лучения, кВт	Используе­мый газ
Стеклопластик Кожа искусственная Древесина Ткань	2,4 3,2 50,0	0,01 0,01 0,002 0,05	0,2 0,2 0,2 0,25	Воздух»»

При выполнении операции резки края реза остаются чистыми, а качест­во краев сравнимо с получаемыми при механической резке.