Основы электрофизических методов обработки

Министерство науки и высшего образования Российской Федерации 

НОВОСИБИРСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ 
__________________________________________________________________________ 
 
 
 
 
 
 
 
 
ОСНОВЫ  
ЭЛЕКТРОФИЗИЧЕСКИХ  
МЕТОДОВ ОБРАБОТКИ 
 
Утверждено Редакционно-издательским советом университета  
в качестве учебного пособия 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
НОВОСИБИРСК 
2020 

УДК 621.9.048.4(075.8) 
О-753 
 
 
Коллектив авторов: 
Х.М. Рахимянов, В.П. Гилета, 
Н.П. Гаар, Ю.С. Семенова, А.А. Локтионов 
А.Х. Рахимянов, К.Х. Рахимянов 
 
Рецензенты: 
канд. техн. наук, доцент  М.С. Галай 
канд. техн. наук, доцент  А.И. Попелюх 
 
 
Работа подготовлена на кафедре технологии машиностроения  
для студентов МТФ всех форм обучения 
 
 
О-753  
Основы электрофизических методов обработки: учебное 
пособие / коллектив авторов. – Новосибирск: Изд-во НГТУ, 
2020. – 179 с. 

ISBN 978-5-7782-4115-2 

Пособие посвящено теоретическим аспектам таких электрофизических методов обработки труднообрабатываемых материалов, как 
ультразвуковая, эрозионная, плазменная и лазерная. Особое внимание 
уделено механизмам удаления материала и факторам, влияющим на 
производительность процесса. 
Предназначено для студентов, обучающихся по направлениям 
15.03.05 «Конструкторско-техническое обеспечение машиностроительных производств» и 23.03.03 «Эксплуатация транспортно-технологических машин и комплексов». 
 
 
 
 
УДК 621.9.048.4(075.8) 
 
ISBN 978-5-7782-4115-2 
© Коллектив авторов, 2020 
 
© Новосибирский государственный 
 
технический университет, 2020 

ОГЛАВЛЕНИЕ 
 
Введение .................................................................................................................. 6 
1. УЛЬТРАЗВУКОВАЯ ОБРАБОТКА .................................................................. 7 
1.1. Основные элементы системы ультразвуковой обработки ......................... 7 
1.1.1. Колебательные системы ......................................................................... 8 
1.1.2. Преобразователи ..................................................................................... 8 
1.1.3. Волноводы ............................................................................................... 9 
1.1.4. Абразивная суспензия ........................................................................... 11 
1.2. Процесс удаления материала ..................................................................... 11 
1.3. Факторы, влияющие на скорость удаления материала ............................ 14 
1.4. Точность размеров и качество поверхности после обработки ................ 15 
1.5. Область применения ультразвуковой обработки ..................................... 17 
Библиографический список .............................................................................. 20 
1.6. Паспортизация станка для ультразвуковой размерной обработки ......... 21 
2. УЛЬТРАЗВУКОВАЯ СВАРКА ПЛАСТМАСС ............................................. 51 
2.1. Общая характеристика процесса ............................................................... 51 
2.2. Параметры режимов ультразвуковой сварки пластмасс ......................... 52 
2.3. Подвод механической энергии к свариваемому изделию ....................... 56 
2.4. Передача энергии к зоне сварки ................................................................ 57 
2.5. Концентрация энергии в зоне сварки ........................................................ 58 
2.6. Дозирование вводимой энергии ................................................................. 59 
2.7. Взаимное перемещение сварочного инструмента и свариваемых 
деталей ......................................................................................................... 60 
2.8. Предварительный контроль материалов и изделий после сварки .......... 60 
Библиографический список .............................................................................. 62 
2.9. Ультразвуковая сварка пластмасс ............................................................. 62 

3. ЭЛЕКТРОЭРОЗИОННАЯ ОБРАБОТКА ....................................................... 67 
3.1. Механизм удаления материала .................................................................. 68 
3.2. Основные элементы системы электроэрозионной обработки ................ 73 
3.3. Электроды при ЭЭО ................................................................................... 74 
3.4. Диэлектрические жидкости ........................................................................ 76 
3.5. Скорость съема материала ......................................................................... 78 
3.6. Шероховатость поверхности ...................................................................... 80 
3.7. Поверхностный слой детали после ЭЭО ................................................... 80 
3.8. Область применения ................................................................................... 82 
Библиографический список .............................................................................. 87 
3.9. Исследование производительности, шероховатости поверхности  
после отработки и износа электрода-инструмента при электроэрозионной обработке ....................................................................................... 87 
4. ЛАЗЕРНАЯ ОБРАБОТКА ............................................................................... 97 
4.1. Основные элементы системы лазерной обработки .................................. 98 
4.2. Механизм удаления материала .................................................................. 99 
4.3. Область применения ................................................................................. 102 
4.3.1. Лазерная обработка отверстий ........................................................... 102 
4.3.2. Лазерная резка ..................................................................................... 105 
4.3.3. Лазерная маркировка и гравировка ................................................... 106 
Библиографический список ............................................................................ 108 
4.4. Паспортизация установки лазерной маркировки МЛ2-1 ...................... 108 
5. ЭЛЕКТРОАЛМАЗНОЕ ШЛИФОВАНИЕ .................................................... 125 
5.1. Характеристика процесса ЭАШ............................................................... 125 
5.2. Требования к электролиту ........................................................................ 126 
5.3. Гидродинамика электролита .................................................................... 127 
5.4. Рабочий зазор ............................................................................................ 128 
5.5. Разрушение обрабатываемого материала. Режимы обработки ............. 129 
5.6. Производительность ЭАШ ....................................................................... 130 
5.7. Применение электроалмазного шлифования.......................................... 131 
5.8. Оборудование для ЭАШ ........................................................................... 134 
Библиографический список ............................................................................ 135 
5.9. Исследование производительности процесса электроалмазного 
шлифования ............................................................................................... 136 

6. ПЛАЗМЕННАЯ ОБРАБОТКА ...................................................................... 139 
6.1. Основные характеристики процесса плазменной резки металлов ....... 139 
6.2. Технологические режимы плазменно-дуговой резки ............................ 143 
6.3. Тонкоструйная плазменная резка металлических материалов ............. 146 
6.3.1. Технологическое оборудование для тонкоструйной  
плазменной резки ................................................................................ 148 
6.3.2. Тонкоструйная плазменная резка однородных металлических 
материалов ........................................................................................... 150 
6.3.3. Тонкоструйная плазменная резка биметаллических композиций ..... 152 
Библиографический список ............................................................................ 158 
6.4. Паспортизация машины термической резки «ППЛ Термит» ................ 159 
 
 

ВВЕДЕНИЕ 
 
Разнообразие электрофизических методов обработки материалов, а 
также их комплектность затрудняет единую классификацию по какому-либо отдельному признаку, однозначно определяющему место 
каждого метода в ряду других и их взаимосвязь.  
Наиболее признана упрощенная классификация электрофизических 
методов обработки по характеру действия электрического тока, являющегося основным видом энергии, на предмет обработки.  
К методам обработки, при которых удаление материала происходит за счет механического воздействия, относятся ультразвуковая и 
гидроабразивная; за счет теплового воздействия – плазменная, электронно-лучевая, лазерная, электроэрозионная обработка; за счет химического и электрохимического воздействия – электрохимическая размерная обработка, электрохимическое полирование, анодирование; за 
счет комбинированного воздействия – анодно-механическая, лазерноэлектрохимическая обработка и электроалмазное шлифование.  
В настоящей работе подробно рассмотрены пять методов обработки: ультразвуковая, электроэрозионная, лазерная, плазменная и электроалмазное шлифование.  
 

1. УЛЬТРАЗВУКОВАЯ ОБРАБОТКА 

1.1. ОСНОВНЫЕ ЭЛЕМЕНТЫ СИСТЕМЫ  
УЛЬТРАЗВУКОВОЙ ОБРАБОТКИ 

Принцип ультразвуковой обработки (УЗО) твердых и хрупких материалов состоит в создании высокой скорости направленного износа 
или скалывания частиц обрабатываемого материала под влиянием 
вибрирующего с ультразвуковой частотой инструмента и непрерывно 
подаваемого в зону обработки абразивного материала (рис. 1.1). 
 

 
Рис. 1.1. Основные элементы системы ультразвуковой обработки 

В рабочую зону, т. е. в пространство между торцом инструмента  
и обрабатываемой деталью, подается водная суспензия абразивного 

порошка карбида кремния (SiC) или карбида бора (B4C). Инструмент 
совершает 
продольные 
колебания 
с 
ультразвуковой 
частотой  
f = 16…30 кГц и небольшой амплитудой А = 0,02…0,06 мм. В процессе 
колебаний торцовая поверхность инструмента ударяет по абразивным 
зернам, которые скалывают с обрабатываемой поверхности микрочастицы. Большое количество одновременно ударяющихся о поверхность абразивных зерен обусловливает интенсивный съем с нее материала. Если инструменту сообщить движение подачи S в направлении 
колебания его торца, то в детали будет образовываться полость, по 
форме соответствующая поперечному профилю инструмента. 

1.1.1. Колебательные системы 

При обработке хрупких материалов используются ультразвуковые 
колебательные системы, которые работают в режиме продольных колебаний. Основные элементы такой системы показаны на рис. 1.1.  
Она включает в себя преобразователь, концентратор-волновод, инструмент. 
В преобразователе (активном элементе колебательной системы) создается знакопеременная механическая сила. Концентратор-волновод 
трансформирует перемещение и скорость фронта упругой волны и согласует механическое сопротивление внешней нагрузки и внутреннее 
сопротивление активного элемента. Инструмент создает ультразвуковое поле в рабочей среде и непосредственно воздействует на абразивные частицы. 
Колебательная система с корпусом и устройствами охлаждения, 
токоподвода, выверки, перемещения, вращения чаще всего выполняется в виде отдельного узла.   

1.1.2. Преобразователи 

В качестве активных элементов колебательных систем используют 
пьезоэлектрические или магнитострикционные преобразователи. 
Пьезоэлектрический преобразователь. Его действие основано на 
пьезоэлектрическом эффекте – возникновении электрической поляризации под действием механических напряжений или возникновении 
деформации под действием электрического поля в некоторых анизотропных диэлектриках или полупроводниках. Наиболее распространенными материалами для изготовления пьезоэлектрических преобразователей являются керамики на основе цирконата титаната свинца 

(ЦТС-19, ЦТС-22), обладающие большим пьезоэлектрическим эффектом и имеющие достаточно низкие потери. Из-за плохой теплопроводности пьезоэлектрические преобразователи с рабочей частотой 
18…44 кГц выполняют составными. Активные элементы (диски) зажимают между двумя частотопонижающими накладками. Такая конструкция позволяет снизить напряжение возбуждения преобразователя 
и эксплуатировать его при воздушном охлаждении. 
Недостатками преобразователей, изготовленных с использова- 
нием керамики ЦТС, являются небольшая удельная мощность 
(0,2…0,5 Вт/см2) и низкое значение допустимых амплитуд колебаний. 
Магнитострикционный преобразователь. В основе магнитострикционного преобразователя, используемого при УЗО, лежит магнитострикционный эффект, заключающийся в том, что ферромагнитное 
тело при намагничивании изменяет свои геометрические размеры,  
т. е. деформируется. В ферромагнетике возможны два вида магнитострикции: линейная, при которой происходят геометрические изменения размеров тела в направлении приложения поля, и объемная, при 
которой геометрические размеры тела изменяются во всех направлениях. В магнитострикционных преобразователях используется линейная магнитострикция.  
Магнитострикционный эффект у различных металлов и сплавов 
различен. Высокой магнитострикцией обладает никель, пермендюр и 
феррит.  
Пакет магнитострикционного преобразователя представляет собой 
сердечник из тонких пластин, на котором размещена электрическая 
обмотка возбуждения. 

1.1.3. Волноводы 

Концентратор (волновод). Амплитуда колебаний, получаемая на 
торце магнитострикционных преобразователей, обычно составляет от 
1…4 мкм и мала для эффективной обработки хрупких материалов. При 
обработке амплитуда колебаний инструмента должна составлять 
20…50 мкм. Для получения требуемых амплитуд в рабочей зоне к торцу преобразователя припаивается или присоединяется механически 
концентратор (волновод), на котором монтируется сменный инструмент. Длина стержневой волноводной системы, присоединяемой к 
преобразователю, должна быть кратна половине длины волны упругих 
колебаний в материале волновода на резонансной (рабочей) частоте 
(рис. 1.2). 

Рис. 1.2. Двухступенчатое усиление в концентраторе 

При создании универсального оборудования для обработки хрупких материалов стержневой волновод выполняется комбинированным 
из нескольких звеньев, соединяемых механически (чаще всего используют резьбовое соединение). Такое техническое решение позволяет 
получать различные амплитуды колебаний инструмента за счет использования сменных волноводов различной формы. В настоящее время наиболее широко применяются сменные волноводы, у которых закон изменения поперечного сечения линейный (конические), экспоненциальный, катеноидальный, ступенчатый.  
Инструменты. Наконечники инструмента (рабочая часть) должны 
иметь высокие износостойкость и усталостную прочность. Наибольшей 
износостойкостью при обработке керамики (HRA91) обладают инструменты из твердого сплава (ВК8) и закаленной стали (У8, У9, У10).  
Закаленный инструмент применяют главным образом при черновой 
обработке. При чистовой обработке используют инструменты, выполненные из материалов меньшей твердости. Хорошей износостойкостью обладают инструменты из быстрорежущих сталей, сталей 40Х, 
45, 50. Алюминий и его сплавы, латунь уступают по износостойкости 
сталям. 
При УЗО инструмент подается к заготовке и удерживается на ней 
посредством статического давления, которое должно преодолевать сопротивление резанию на границе раздела инструмента и заготовки.  

1.1.4. Абразивная суспензия 

Абразивная суспензия обычно состоит из 25…50 % (по объему) мелких абразивных зерен (зернистость 100…800) карбида бора (B4C), оксида 
алюминия (Al2O3) или карбида кремния (SiC) и воды. Абразивная суспензия циркулирует между колеблющимся инструментом и заготовкой. 
Разрушение обрабатываемого материала при УЗО происходит в основном в результате ударного воздействия инструмента по абразивным 
частицам, которые выкалывают небольшие частицы материала заготовки. Суспензия прокачивается через форсунку, расположенную рядом с заготовкой, со скоростью 25 л/мин. На рис. 1.3 показаны различные схемы подачи суспензии. 
 

 
Реактивный поток 
 
Всасывающий поток 

Рис. 1.3. Схемы подачи суспензии в зону обработки 

По мере обработки суспензия становится менее эффективной из-за 
износа и разрушения ее частиц. Срок ее службы составляет от 150 до 
200 ч ультразвукового воздействия. Суспензия непрерывно подается в 
зону обработки для осуществления эффективной очистки от продуктов 
обработки и поддержания охлаждения инструмента во время обработки.  

1.2. ПРОЦЕСС УДАЛЕНИЯ МАТЕРИАЛА 

Механизм удаления материала при УЗО включает в себя три различных действия (рис. 1.4). 
1. Механическое отделение материала заготовки в результате микровыколов, происходящих при воздействии абразивных частиц, находящихся между вибрирующим инструментом и обрабатываемой поверхностью. 

Рис. 1.4. Механизмы удаления материала при УЗО 

2. Микронадрезы в результате свободного воздействия частиц, которые летят через зазор и ударяются о заготовку в случайных местах. 
3. Эрозия рабочей поверхности за счет кавитации пузырьков в потоке абразивной суспензии (кавитационная эрозия). 
В случае твердых и хрупких материалов, таких как стекло, скорость обработки высока, и наибольшую роль играет свободный удар 
при обработке пористых материалов, таких как графит, – механизм 
кавитационной эрозии.  
Скорость удаления материала при УЗО зависит, прежде всего, от частоты колебания инструмента, статического давления, размера обрабатываемой области, а также абразивного материала и материала заготовки.  
Материал заготовки в значительной степени определяет характер его 
разрушения. Все материалы по характеру его разрушения при УЗО разделены на группы. В основе деления лежит критерий хрупкости xt  (отношение сопротивления сдвигу к вре´менному сопротивлению на разрыв).  
Первая группа 
2
xt 
 – стекло, кварц, керамика, германит, ферриты. 
При УЗО они практически не подвергаются пластической деформации. 
Вторая группа 1
2
xt


 – твердые сплавы, закаленные, цементированные и азотированные стали, сплавы титана и вольфрама. При УЗО 
наряду с упругими деформациями происходят и микропластические 
деформации. При этом чем большую роль играют пластические деформации, тем хуже обрабатываемость. 
Третья группа 
2
xt 
 – почти вся работа абразивных зерен расходуется на микропластическую деформацию поверхностных слоев, разрушения 
материала почти не наблюдается. Их нецелесообразно подвергать УЗО.  

Оценка относительной обрабатываемости для некоторых материалов при использовании УЗО представлена в табл. 1.1.  

Т а б л и ц а  1.1 

Оценка относительной обрабатываемости для некоторых материалов 
при использовании УЗО 

Обрабатываемый материал
Относительная скорость удаления, %

Стекло
100

Латунь
66

Вольфрам
4,8

Титан
4,0

Сталь
3,9

Хромированная сталь
1,4

 
На рис. 1.5 обобщены важные параметры, влияющие на производительность УЗО, которые в основном относятся к инструменту, материалу 
детали, абразивам, режимам обработки и ультразвуковому оборудованию. 
 

  
Рис. 1.5. Факторы, влияющие на производительность УЗО 

износостойкость