Электрофизические и электрохимические способы обработки материалов

М.Г. Киселев
Ж.А. Мрочек
А.В. Дроздов
Электрофизические  
и электрохимические 
способы обработки 
материалов
Допущено 
Министерством образования Республики Беларусь 
в качестве учебного пособия для студентов учреждений 
 
высшего  образования по машиностроительным 
 
и приборостроительным специальностям
 
Минск 
Москва
 
«Новое знание» 
«ИНФРАМ»
2014

ФЗ 
№ 436-ФЗ
Издание не подлежит маркировке 
в соответствии с п. 1 ч. 1 ст. 11
УДК [621.7+621.9].04(075.8) 
ББК 34.5я73 
 
К44
Рецензенты:
кафедра «Электронная техника и технология» Белорусского государственного университета информатики и радиоэлектроники;
доктор физико-математических наук, профессор В.И. Прокошин
Киселев, М.Г.
Электрофизические и электрохимические способы обработки 
К44
материалов : учеб. пособие / М.Г. Киселев, Ж.А. Мрочек, 
А.В. Дроздов. — Минск : Новое знание ; М. : ИНФРА-М, 2014. — 
389 с. : ил. — (Высшее образование: Магистратура).
ISBN 978-985-475-624-0 (Новое знание). 
ISBN 978-5-16-009430-4 (ИНФРА-М, print). 
ISBN 978-5-16-100530-9 (ИНФРА-М, online).
Рассмотрены теоретические основы, технологические показатели, 
применяемое оборудование и области эффективного использования 
электрофизических и электрохимических способов формообразования 
поверхностей деталей, включая электроэрозионную, электрохимическую, ультразвуковую, электронно-лучевую, лазерную и плазменную 
обработку материалов.
Для студентов машиностроительных и приборостроительных специальностей, а также для магистрантов и аспирантов, исследования 
которых связаны с использованием электрофизических и электрохимических способов обработки материалов.
УДК  [621.7+621.9].04(075.8) 
ББК  34.5я73 
©
© Киселев М.Г., Мрочек Ж.А., 
Дроздов А.В., 2013
ISBN 978-985-475-624-0 (Новое знание).
ISBN 978-5-16-009430-4 (ИНФРА-М, print).
ISBN 978-5-16-100530-9 (ИНФРА-М, online).
©
© ООО «Новое знание», 2013

Оглавление
Предисловие..............................................................................................................................8
Глава 1. Электроэрозионная обработка материалов.
............................................10
1.1. Общее описание процесса электроэрозионной обработки 
и стадий его протекания.
............................................................................................11
1.2. Тепловые процессы на электродах..........................................................................17
1.3. Технологические схемы электроэрозионной обработки.................................19
1.4. Технологические параметры электроэрозионной обработки........................22
1.4.1. Производительность электроэрозионной обработки.
...........................22
1.4.2. Точность электроэрозионной обработки...................................................25
1.4.3. Качество поверхности при электроэрозионной обработке.
................28
1.5. Конструкции электродов-инструментов, методы их расчета 
и способы изготовления.............................................................................................32
1.5.1. Особенности проектирования электродов-инструментов..................32
1.5.2. Материалы, применяемые для изготовления рабочей части 
электродов-инструментов...............................................................................33
1.5.3. Конструкции электродов-инструментов...................................................34
1.5.4. Способы изготовления электродов-инструментов................................36
1.5.5. Методика расчета рабочей части электродов-инструментов 
и размеров копиров при обработке непрофилированным 
инструментом.
......................................................................................................39
1.6. Технологические процессы электроэрозионного формообразования 
типовых поверхностей деталей.
...............................................................................47
1.6.1. Исходные данные для проектирования технологических .
процессов...............................................................................................................47
1.6.2. Краткая характеристика области технологического 
использования электроэрозионной обработки.......................................48
1.6.3. Порядок проектирования технологических процессов 
электроэрозионной обработки.
......................................................................52
1.7. Технологические процессы электроэрозионной обработки 
типовых поверхностей и деталей машин.............................................................54
1.7.1. Прошивание отверстий....................................................................................54
1.7.2. Прошивание наружных поверхностей.......................................................63
1.7.3. Маркирование деталей.....................................................................................64
1.7.4. Электроэрозионное шлифование.................................................................66
1.7.5. Электроэрозионное разрезание.
....................................................................67
1.7.6. Изготовление деталей непрофилированным 
электродом-инструментом..............................................................................68
1.7.7. Технология изготовления цанг.
.....................................................................72
1.7.8. Электроэрозионное упрочнение...................................................................74
1.8. Электроэрозионное оборудование..........................................................................74
1.8.1. Общие сведения..................................................................................................74

Оглавление
4
1.8.2. Генераторы импульсов.
.....................................................................................75
1.8.3. Регуляторы подачи электрода-инструмента............................................81
1.8.4. Системы рабочих перемещений электрода-инструмента...................84
1.8.5. Система очистки и подачи рабочей жидкости в зону обработки.
.....86
1.8.6. Механическая часть станков.
.........................................................................88
Глава 2. Размерная электрохимическая обработка материалов.
.....................98
2.1. Теоретические основы процесса электрохимической обработки................99
2.1.1. Механизм анодного растворения.................................................................99
2.1.2. Физико-химические особенности удаления металла 
при размерной электрохимической обработке.
.................................... 101
2.1.3. Пассивация поверхности металла.
............................................................ 104
2.1.3.1. Условия возникновения пассивации......................................... 104
2.1.3.2. Рост пленок при анодной поляризации металлов. 
Нерастворимые аноды................................................................................... 105
2.1.3.3. Перепассивация металлов............................................................. 110
2.1.3.4. Условия устойчивости пассивного состояния....................... 112
2.1.3.5. Особенности анодного растворения сплавов......................... 115
2.1.3.6. Реакции анодного окисления.
...................................................... 116
2.1.4. Гидродинамические процессы в межэлектродном промежутке.
..... 117
2.1.5. Подбор электролита для ЭХО................................................................... 122
2.1.6. Особенности электрохимической обработки импульсным 
напряжением..................................................................................................... 123
2.2. Технологические схемы размерной электрохимической обработки....... 123
2.3. Формообразование при размерной электрохимической обработке........ 127
2.3.1. Копирование электрода-инструмента на заготовке........................... 127
2.3.2. Межэлектродный промежуток................................................................... 129
2.3.3. Припуск на обработку................................................................................... 130
2.3.4. Производительность электрохимической обработки........................ 132
2.3.5. Точность электрохимической обработки.
............................................... 132
2.3.6. Качество поверхностей деталей после электрохимической 
обработки.
........................................................................................................... 134
2.4. Электроды-инструменты для размерной электрохимической .
обработки...................................................................................................................... 137
2.4.1. Особенности проектирования электродов-инструментов............... 137
2.4.2. Материалы для изготовления электродов-инструментов.
............... 137
2.4.3. Расчет и изготовление электродов-инструментов.............................. 138
2.5. Технологические возможности размерной электрохимической .
обработки...................................................................................................................... 148
2.6. Оборудование для электрохимической обработки........................................ 152
2.6.1. Типовая структура оборудования............................................................. 152
2.6.2. Источники питания и их выбор................................................................ 152
2.6.3. Системы регулирования режима ЭХО................................................... 155
2.6.4. Система хранения, подачи и очистки электролита............................ 156

Оглавление
5
2.7. Анодно-абразивная обработка металлов........................................................... 159
2.7.1. Общая характеристика процессов............................................................ 159
2.7.2. Процессы, протекающие при анодно-абразивной обработке......... 162
2.7.3. Технологические показатели анодно-абразивной обработки......... 166
2.7.4. Технологические возможности анодно-абразивной обработки..... 169
2.7.5. Конструкции инструментов для анодно-абразивной 
обработки, их износ и профилирование.
................................................ 171
2.7.6. Станки для анодно-абразивной обработки.
........................................... 173
2.7.7. Режимы анодно-абразивной обработки.................................................. 178
Глава 3. Ультразвуковая обработка материалов.................................................. 181
3.1. У
льтразвуковые колебания.
..................................................................................... 182
3.1.1. Общие сведения............................................................................................... 182
3.1.2. Форма ультразвуковых волн.
...................................................................... 182
3.1.3. Акустические свойства среды.
.................................................................... 184
3.1.4. Основные характеристики ультразвукового поля.............................. 186
3.1.5. Поглощение и отражение ультразвука.
................................................... 187
3.1.6. Стоячие волны.
................................................................................................. 188
3.2. Основные сведения об акустических колебательных системах 
технологического назначения.
............................................................................... 190
3.2.1. Характеристики колебательных систем................................................. 190
3.2.2. Электроакустические преобразователи.................................................. 192
3.2.2.1. Магнитострикционные преобразователи................................ 192
3.2.2.2. Пьезоэлектрические преобразователи...................................... 196
3.2.3. У
льтразвуковые концентраторы.
................................................................ 199
3.3. У
льтразвуковая очистка.
........................................................................................... 206
3.3.1. Общие сведения............................................................................................... 206
3.3.2. Акустическая кавитация.
.............................................................................. 207
3.3.3. Звукокапиллярный эффект.
........................................................................ 208
3.3.4. Акустические течения.
................................................................................... 209
3.3.5. Виды загрязнений........................................................................................... 210
3.3.6. Влияние физико-химических свойств моющей жидкости.
............. 211
3.3.7. Влияние параметров ультразвукового поля.
......................................... 212
3.3.8. Технология ультразвуковой очистки....................................................... 212
3.4. У
льтразвуковая размерная обработка свободным абразивом.................... 219
3.4.1. Физическая сущность процесса.
................................................................ 219
3.4.2. Влияние технологических и акустических параметров на 
показатели размерной обработки.
............................................................. 222
3.5. Технологические возможности ультразвуковой размерной .
обработки...................................................................................................................... 225
3.5.1. Преимущества метода.
................................................................................... 225
3.5.2. Обработка деталей по наружному контуру.
.......................................... 226
3.5.3. Разрезание заготовок и раскрой материала.......................................... 228
3.5.4. Обработка отверстий..................................................................................... 231

Оглавление
6
3.5.5. Обработка деталей из твердых сплавов.
................................................. 233
3.5.6. Гравирование..................................................................................................... 235
3.6. Оборудование для ультразвуковой размерной обработки .
материалов.................................................................................................................... 236
3.6.1. Общие сведения............................................................................................... 236
3.6.2. Механизм подачи............................................................................................ 237
3.6.3. Универсальные ультразвуковые станки.
................................................. 239
3.6.4. Акустические головки................................................................................... 241
3.7. У
льтразвуковая сварка металлов.......................................................................... 243
3.7.1. Основные сведения о механизме процесса ультразвуковой 
сварки металлов............................................................................................... 243
3.7.2. Акустические колебательные системы и технологические 
установки для сварки металлов.
................................................................ 245
3.8. У
льтразвуковая сварка пластмасс.
........................................................................ 248
3.8.1. Общие сведения............................................................................................... 248
3.8.2. Современные представления о механизме образования 
соединений при ультразвуковой сварке пластмасс............................ 249
3.8.3. Влияние режимов ультразвуковой сварки пластмасс 
на прочность соединения............................................................................. 252
3.8.4. Технология ультразвуковой сварки пластмасс.................................... 255
Глава 4. Электронно-лучевая обработка материалов........................................ 262
4.1. Физические основы электронно-лучевой обработки.
................................... 263
4.1.1. Основные стадии формирования электронного луча 
и применяемое оборудование..................................................................... 263
4.1.2. Получение свободных электронов.
........................................................... 264
4.1.3. Ускорение электронов.
................................................................................... 265
4.1.4. Управление электронным лучом............................................................... 266
4.1.5. Вакуум как обязательный фактор электронно-лучевой .
технологии......................................................................................................... 267
4.1.6. Взаимодействие электронного луча с веществом............................... 268
4.2. Основные технологические процессы электронно-лучевой .
обработки...................................................................................................................... 270
4.2.1. Особенности электронного луча как технологического 
инструмента.
...................................................................................................... 270
4.2.2. Локальный переплав...................................................................................... 271
4.2.3. Электронно-лучевая плавка........................................................................ 272
4.2.4. Электронно-лучевая сварка.
........................................................................ 276
4.2.5. Электронно-лучевое испарение материалов......................................... 278
4.2.6. Размерная электронно-лучевая обработка............................................ 280
4.3. Электронно-лучевое технологическое оборудование................................... 283
4.3.1. Общие сведения............................................................................................... 283
4.3.2. Электромеханический комплекс............................................................... 284
4.3.3. Энергетический комплекс.
........................................................................... 288

Оглавление
7
Глава 5. Светолучевая обработка материалов...................................................... 296
5.1. Физические основы получения светолучевых источников энергии.
...... 297
5.1.1. Когерентное излучение и условия его получения.
............................. 297
5.1.2. Основные схемы оптических квантовых генераторов...................... 300
5.2. Оптические системы лазерных установок........................................................ 311
5.3. Взаимодействие излучения ОКГ с обрабатываемым веществом. 
Классификация методов лазерной обработки................................................ 316
5.4. Основные операции лазерной технологии.
....................................................... 322
5.4.1. Поверхностная термообработка.
................................................................ 322
5.4.2. Лазерная наплавка и поверхностное легирование............................. 330
5.4.3. Лазерная сварка............................................................................................... 334
5.4.4. Технология лазерной резки......................................................................... 345
5.4.5. Технология лазерного прошивания отверстий.................................... 356
5.4.6. Промышленные лазерные технологические установки.
................... 364
Глава 6. Плазменная обработка материалов.
......................................................... 368
6.1. Устройства для получения плазмы...................................................................... 368
6.2. Основные физические характеристики и свойства плазмы.
...................... 370
6.3. Плазменные источники энергии.
.......................................................................... 374
6.4. Технологическое использование плазмы.
.......................................................... 376
6.4.1. Плазменный нагрев поверхностей............................................................ 376
6.4.2. Плазменное плавление материалов.
......................................................... 377
6.4.3. Плазменная сварка и наплавка.................................................................. 378
6.4.4. Схемы формирования покрытий на поверхности изделий.
............ 382
6.4.5. Плазменная резка............................................................................................ 385
Рекомендуемая литература............................................................................................. 387

Предисловие
Современное машиностроение и  приборостроение характеризуется постоянно расширяющимся применением конструкционных 
материалов со специальными физико-механическими свойствами. 
Их обработка традиционными способами резания крайне затруднена, а в ряде случаев и невозможна. К группе таких труднообрабатываемых материалов относятся жаропрочные, титановые, твердые 
и магнитные сплавы, нержавеющие стали, различные виды керамики, полупроводниковые материалы, твердые и сверхтвердые природные и искусственные кристаллы и т.п. В этой связи актуальной 
является задача создания и развития новых способов формообразования поверхностей деталей, изготовленных из таких материалов.
Как показывает многолетний мировой опыт, эффективным направлением решения указанной задачи является использование 
электрофизических и электрохимических способов размерной обработки, которые за последние годы получили дальнейшее развитие и широкое промышленное применение. К ним относятся электроэрозионный, электрохимический и  ультразвуковой способы 
обработки, в  которых применяется профилированный или непрофилированный инструмент, а также способы, основанные на использовании концентрированных источников энергии, — электроннолучевая, лазерная и плазменная обработка. Следует подчеркнуть, 
что эти способы влияют не только на структуру и  длительность 
технологического цикла, но и на конструкцию новых машин и приборов, расширяя арсенал как технолога, так и  конструктора при 
разработке и производстве современных изделий.
Эффективное применение и  дальнейшее развитие электрофизических и электрохимических способов обработки в машино- 
и приборостроении невозможны без соответствующей технологической подготовки инженерных и  научных кадров, что, в  свою 
очередь, в  значительной мере связано с  наличием специальной 
обучающей литературы.
В данном учебном пособии изложены основные сведения об 
электрофизических и электрохимических способах формообразования поверхностей деталей, включая электроэрозионную, электрохимическую, ультразвуковую, электронно-лучевую, лазерную 
и плазменную размерную обработку. Последовательно рассматриваются теоретические основы каждого из этих способов, техноло

Предисловие
9
гические показатели, методики расчета режимов обработки, указываются технологические возможности и области эффективного 
применения, а также дается описание применяемого оборудования 
и оснастки.
Авторы надеются, что пособие будет полезно студентам, магистрантам и аспирантам машиностроительных и приборостроительных специальностей учреждений высшего технического образования и окажет помощь в подготовке производственных и научных 
кадров в области технологии электрофизической и электрохимической обработки материалов.

Глава
1
Электроэрозионная обработка 
материалов
Электрическая эрозия (разрушение материала контактов под 
действием электрических разрядов) была известна давно. Она представляет собой вредное явление, вызывающее сокращение срока 
службы и снижение надежности электрических устройств.
В 40-х гг. прошлого столетия академик Молдавской академии 
наук Б.Р
. Лазаренко использовал электрические разряды для размерной обработки металла (рис.  1.1). В качестве генератора импульсов использовалась батарея конденсаторов, заряжаемых от 
источника постоянного тока. Время зарядки конденсатора регулировалось реостатом. Электрод-инструмент перемещали к заготовке. 
По мере их сближения возрастала напряженность электрического 
поля и в пространстве между электродом-инструментом и заготовкой (межэлектродный промежуток — МЭП) возникал электрический разряд, под действием которого происходило разрушение 
материала заготовки. Продукты обработки попадали в диэлектрическую жидкость, где охлаждались и, не достигая электрода-инструмента, осаждались на дно ванны. Через некоторое время электрод1
2
3
Рис. 1.1. Принципиальная схема первой 
лабораторной установки для электроэрозионной обработки:
1  — реостат; 2  — батарея конденсаторов; 
3  — электрод-инструмент; 4  — пластина; 
5 — диэлектрическая жидкость
4
5