Электрофизические и электрохимические способы обработки материалов

М.Г. Киселев
Ж.А. МрочеК
А.в. ДрозДов

Электрофизические  
и Электрохимические 
способы обработки 
материалов

 
Минск 
Москва
 
«Новое знание» 
«ИНФРАМ»
2014

Допущено 
Министерством образования Республики Беларусь 
в качестве учебного пособия для студентов учреждений  
высшего  образования по машиностроительным  
и приборостроительным специальностям

УДК [621.7+621.9].04(075.8) 
ББК 34.5я73 
 
К44

Киселев, М.Г.
Электрофизические и электрохимические способы обработки 
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 

К44

 
© Киселев М.Г., Мрочек Ж.А., 
Дроздов А.В., 2013
 
© ООО «Новое знание», 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).

Рецензенты:
кафедра «Электронная техника и технология» Белорусского государственного университета информатики и радиоэлектроники;
доктор физико-математических наук, профессор В.И. Прокошин

ФЗ 
№ 436-ФЗ
Издание не подлежит маркировке 
в соответствии с п. 1 ч. 1 ст. 11

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..Ультразвуковые.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..Ультразвуковые.концентраторы................................................................. 199
3.3..Ультразвуковая.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..Ультразвуковая.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..Ультразвуковая.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..Ультразвуковая.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-ин.струмента,.осаждались.на.дно.ванны..Через.некоторое.время.электрод
Рис. 1.1. Принципиальная.схема.первой.
лабораторной.установки.для.электроэрозионной.обработки:
1. —. реостат;. 2. —. батарея. конденсаторов;.
3. —. электрод-инструмент;. 4. —. пластина;.
5.—.диэлектрическая.жидкость

1
2
3

4
5