Электрофизические и электрохимические методы обработки в машиностроении

 
 
 
 
 
 
 
ЭЛЕКТРОФИЗИЧЕСКИЕ  
И ЭЛЕКТРОХИМИЧЕСКИЕ МЕТОДЫ  
ОБРАБОТКИ В МАШИНОСТРОЕНИИ 
 
 
Под общей редакцией М. М. Радкевича, В. И. Никифорова 
 
 
 
 
 
Гриф «Учебник» 
Федерального учебно-методического объединения 
в системе высшего образования по укрупненным группам 
специальностей и направлений подготовки 
15.00.00 «Машиностроение» 
 
 
 
 
 
 
 
 
Москва    Вологда 
«Инфра-Инженерия» 
2022
 

УДК 621 
ББК 34.5 
Э45 
Авторы: 
Радкевич М. М., Никифоров В. И., Барон Ю. М.,  
Кобчиков В. С., Коротких М. Т. 
Рецензенты: 
доктор технических наук, профессор Балтийского государственного  
технического университета «ВОЕНМЕХ» им. Д. Ф. Устинова  
Д. В. Васильков; 
доктор технических наук, профессор Санкт-Петербургского  
политехнического университета Петра Великого В. Я. Фролов 
Э45 
Электрофизические и электрохимические методы обработки в 
машиностроении : учебник / [Радкевич М. М. и др.] ; под ред. М. М. Радкевича, В. И. Никифорова. - Москва ; Вологда : Инфра-Инженерия, 2022. - 
532 с. : ил., табл. 
ISBN 978-5-9729-0955-1 
Представлена классификация и физико-химические основы электрофизических и электрохимических методов обработки. Приведены схемы работ, режимы обработки и оборудование, применяемые при реализации методов электроэрозионной, химической, электрохимической, светолучевой, электроннолучевой, ионно-вакуумной, плазменной, ультразвуковой обработки и некоторых комбинированных методов обработки. Даны сведения по технологиям 
нанесения покрытий на заготовки, выполняемым на основе использования методов этих групп. 
Для студентов образовательных учреждений высшего образования, обучающихся по направлениям подготовки бакалавров и специальностям укрупненной группы 15.00.00 «Машиностроение». Может быть использовано при 
подготовке студентов по другим направлениям и специальностям в области 
техники и технологий. 
УДК 621 
ББК 34.5 
ISBN 978-5-9729-0955-1 
” Издательство «Инфра-Инженерия», 2022 
” Оформление. Издательство «Инфра-Инженерия», 2022 
2 

 
 
ОГЛАВЛЕНИЕ 
Предисловие ....................................................................................................................................... 7  
Список сокращений ......................................................................................................................... 10  
Общие условные обозначения ........................................................................................................ 11  
Введение ........................................................................................................................................... 14  
 
1. Классификация технологических методов обработки ....................................................... 17  
 
2. Технологические методы электроэрозионной обработки 
.................................................. 28  
2.1. Физические основы электроэрозионной обработки 
............................................................ 28  
2.2. Виды и схемы реализации электроэрозионных методов обработки ................................. 30  
2.2.1. Формообразование поверхностей изделий электроэрозионной  
обработкой  .................................................................................................................................. 31 
2.2.2. Электроискровое упрочнение поверхностного слоя заготовки 
.................................... 35  
2.3. Технологические параметры режима электроэрозионной обработки 
............................... 37  
2.3.1. Электрические параметры режима электроэрозионной обработки ............................. 37  
2.3.2. Гидрокинематические параметры режима 
электроэрозионной обработки ................................................................................................... 41  
2.3.3. Механические параметры электроэрозионной обработки ............................................ 43  
2.4. Технико-экономические показатели электроэрозионной обработки ................................ 44  
2.4.1. Качество поверхностного слоя после электроэрозионной обработки  ........................ 44 
2.4.2. Точность электроэрозионной обработки  ....................................................................... 47 
2.4.3. Основное время электроэрозионной обработки ............................................................ 55 
2.4.4. Производительность электроэрозионной обработки  
.................................................... 58 
2.4.5. Выбор параметров режима электроэрозионной обработки  ......................................... 64 
2.4.6. Режимы и технико-экономические показатели видов 
электроэрозионной обработки  .................................................................................................. 67 
2.5. Оборудование для электроэрозионной обработки  ............................................................. 70 
 
3. Химические методы обработки 
............................................................................................... 87  
3.1. Химическое травление ........................................................................................................... 87  
3.1.1. Химическое поверхностное травление  .......................................................................... 87 
3.1.2. Химическое глубинное травление 
................................................................................... 90  
3.1.3. Химическое полирование 
................................................................................................. 91 
3.2. Химико-механическая обработка  ........................................................................................ 92 
3.3. Химические методы нанесения покрытий ........................................................................... 93 
3.3.1. Химические методы нанесения покрытий из водных растворов ................................. 94  
3.3.2. Химические методы нанесения покрытий из газовой среды 
........................................ 97  
 
4. Электрохимические методы обработки .............................................................................. 102  
4.1. Физико-химические основы электрохимической обработки  
.......................................... 102 
4.2. Основные законы, описывающие процесс электролиза ................................................... 109 
4.3. Классификация электрохимических методов обработки  ................................................ 112 
4.4. Электрохимические размерные и отделочные методы обработки 
.................................. 114  
4.4.1. Методы электрохимической размерной обработки  
.................................................... 114 
4.4.2. Методы электрохимической отделочной обработки  .................................................. 121 
4.4.3. Электролиты для электрохимической обработки и их характеристики 
.................... 126  
4.4.4. Электрические параметры режима электрохимической обработки 
и скорость анодного растворения материала ......................................................................... 131 
4.4.5. Схемы реализации электрохимической размерной обработки,  
анодное растворение и межэлектродный зазор 
...................................................................... 137 
4.4.6. Технико-экономические параметры электрохимической обработки  ....................... 141 
3 
 

4.4.7. Основы проектирования электрода-инструмента 
........................................................ 154 
4.4.8. Оборудование для электрохимической размерной обработки  .................................. 161 
4.5. Электрохимические методы нанесения покрытий 
............................................................ 171 
4.5.1. Нанесение покрытий осаждением металлов из растворов солей ............................... 172  
4.5.2. Нанесение электрохимических покрытий оксидированием  
и фосфатированием анода ........................................................................................................ 178 
4.5.3. Оборудование для нанесения электрохимических покрытий .................................... 180  
4.6. Электролитно-плазменная обработка 
................................................................................  182 
4.6.1. Физико-химические основы и виды электролитно-плазменной  
обработки ................................................................................................................................... 182 
4.6.2. Электролитно-плазменное оксидирование 
................................................................... 185  
4.6.3. Электролитно-плазменное полирование 
......................................................................  187 
4.6.4. Оборудование для электролитно-плазменной обработки 
........................................... 191  
 
5. Технологические методы электронно-лучевой обработки .............................................. 193  
5.1. Физические основы электронно-лучевой обработки .......................................................  193 
5.2. Технологические методы электронно-лучевой обработки 
............................................... 201  
5.2.1. Электронно-лучевая плавка ........................................................................................... 203  
5.2.2. Электронно-лучевая сварка 
............................................................................................ 204  
5.2.3. Электронно-лучевая термообработка  .......................................................................... 206 
5.2.4. Размерная электронно-лучевая обработка 
.................................................................... 207  
5.2.5. Электронно-лучевое напыление покрытий .................................................................. 214  
5.3. Оборудование электронно-лучевой обработки ................................................................. 216  
 
6. Технологические методы светолучевой обработки .......................................................... 226  
6.1. Физические основы светолучевой обработки 
.................................................................... 226  
6.1.1. Полихроматический свет и его технологические возможности  
................................ 226 
6.1.2. Физические основы работы лазеров 
.............................................................................. 227  
6.1.3. Режимы и параметры лазерного излучения  
................................................................. 233 
6.1.4. Взаимодействие лазерного излучения с веществом .................................................... 235  
6.1.5. Основные типы лазеров 
.................................................................................................. 238  
6.2. Технологические методы светолучевой обработки  
и их технико-технологические характеристики ....................................................................... 245  
6.2.1. Поверхностные методы лазерной обработки ............................................................... 247  
6.2.2. Лазерная сварка  .............................................................................................................. 249 
6.2.3. Лазерная наплавка  
.......................................................................................................... 251 
6.2.4. Лазерное поверхностное легирование .......................................................................... 254  
6.2.5. Лазерная резка  ................................................................................................................ 255 
6.2.6. Лазерное прошивание и вырезание отверстий по контуру ........................................  262 
6.2.7. Лазерное напыление тонкопленочных покрытий  ....................................................... 265 
6.3. Оборудование для лазерной обработки  
............................................................................. 267 
 
7. Технологические методы плазменной обработки ............................................................. 282 
7.1. Основные характеристики низкотемпературной плазмы 
................................................  282 
7.2. Методы и источники получения низкотемпературной плазмы ....................................... 285 
7.2.1. Методы получения низкотемпературной плазмы 
.......................................................  285 
7.2.2. Виды источников плазмы 
............................................................................................... 286 
7.2.3. Характеристики плазменного источника 
...................................................................... 290 
7.3. Технологические методы плазменной обработки  
и их технико-технологические характеристики ....................................................................... 292 
7.3.1. Плазменная сварка .........................................................................................................  292 
7.3.2. Плазменная наплавка ...................................................................................................... 296 
7.3.3. Плазменное напыление покрытий 
................................................................................. 302 
7.3.4. Плазменная резка ............................................................................................................ 305 
4 
 

 
7.4. Оборудование для плазменной обработки 
......................................................................... 314  
 
8. Технологические методы ионно-вакуумной обработки 
................................................... 324 
8.1. Физические основы ионно-вакуумной обработки ............................................................ 324 
8.2. Технологические параметры ионно-вакуумной обработки ............................................. 332  
8.3. Технологические методы ионно-вакуумной обработки ..................................................  333 
8.3.1. Ионно-вакуумное распыление поверхности твердого тела ........................................ 334 
8.3.2. Ионно-вакуумное легирование ...................................................................................... 339  
8.3.3. Оборудование для ионно-вакуумной имплантации .................................................... 346 
8.3.4. Ионно-вакуумные методы нанесения покрытий 
.......................................................... 354 
 
9. Технологические методы ультразвуковой обработки 
...................................................... 366  
9.1. Общие сведения об ультразвуковой обработке и областях ее применения ................... 366  
9.2. Физические основы ультразвуковых технологий ............................................................. 368  
9.3. Источники ультразвуковых колебаний .............................................................................. 376  
9.3.1. Ультразвуковой генератор ............................................................................................. 376  
9.3.2. Ультразвуковая колебательная система 
........................................................................ 376  
9.4. Ультразвуковая сварка и пайка изделий ............................................................................ 385  
9.4.1. Ультразвуковая сварка 
.................................................................................................... 385  
9.4.2. Методы ультразвуковой пайки и нанесения покрытий 
............................................... 388 
9.5. Классификация технологических методов обработки заготовок  
с наложением ультразвуковых колебаний ................................................................................ 390  
9.6. Ультразвуковая размерная обработка ................................................................................ 392  
9.6.1. Основы ультразвуковой размерной обработки незакрепленными  
абразивными зернами ............................................................................................................... 392 
9.6.2. Методы и типовые схемы ультразвуковой размерной обработки ............................. 393  
9.6.3. Технологические и технико-экономические характеристики  
ультразвуковой размерной обработки .................................................................................... 395 
9.6.4. Инструмент для ультразвуковой размерной обработки 
.............................................. 405  
9.6.5. Оборудование для ультразвуковой размерной обработки .......................................... 406 
9.7. Ультразвуковая очистка 
....................................................................................................... 408 
 
10. Комбинированные методы обработки 
............................................................................... 411  
10.1. Технологические методы плазменно-механической обработки 
.................................... 411  
10.1.1. Физические основы и классификация методов  
плазменно-механической обработки 
....................................................................................... 411 
10.1.2. Технологические методы плазменно-механической обработки  
и их технико-технологические характеристики 
..................................................................... 419 
10.1.3. Технологическая оснастка плазменно-механической обработки 
............................. 429  
10.2. Технологические методы магнитно-абразивной обработки .......................................... 435  
10.2.1. Метод магнитно-абразивной обработки,  
его разновидности и области применения 
.............................................................................. 436  
10.2.2. Магнитно-абразивное полирование ............................................................................ 437   
10.2.3. Интенсификация технологических процессов на основе применения  
магнитно-абразивной обработки ............................................................................................. 475 
10.3. Комбинированные методы ультразвуковой обработки .................................................. 478  
10.3.1. Методы обработки давлением с наложением ультразвуковых  
колебаний ................................................................................................................................... 478 
10.3.2. Методы обработки резанием лезвийным инструментом  
с наложением колебаний .......................................................................................................... 483  
10.3.3. Методы обработки резанием абразивными инструментами  
с наложением ультразвуковых колебаний 
.............................................................................. 492 
10.3.4. Термоультразвуковая обработка 
.................................................................................. 496  
 
5 
 

10.4. Технологии термомеханической обработки .................................................................... 497  
10.4.1. Методы упрочнения материалов ................................................................................  497 
10.4.2. Физические основы и классификация технологических методов  
термомеханической обработки ................................................................................................ 498  
10.4.3. Программная термомеханическая обработка  
............................................................ 506 
10.4.4. Технологии программной термомеханической обработки  
штампованных поковок ............................................................................................................ 512  
10.4.5. Оборудование для термомеханической обработки 
.................................................... 522  
 
Список литературы ............................................................................................................................................... 524
6 
 

 
 
ПРЕДИСЛОВИЕ 
 
Умение выпускников технологических направлений подготовки и специальностей высших образовательных учреждений проектировать технологические процессы изготовления изделий непосредственно связано с изучением ими 
таких технологических дисциплин, как «Материаловедение», «Технология конструкционных материалов» и «Основы технологии машиностроения». В рамках 
учебной дисциплины «Технология конструкционных материалов» студентам 
даются исходные знания по всей совокупности технологических методов получения и обработки заготовок, в том числе и по электрофизическим и электрохимическим методам обработки (ЭФХО). Однако этих материалов по методам 
ЭФХО весьма мало, приводятся они лишь на уровне описания процессов, не 
содержат, а в силу ограниченности времени на изучение дисциплины «Технология конструкционных материалов» не могут содержать сведений, позволяющих технологу правильно включать их в систему операций технологического 
процесса изготовления детали.  
В то же время для современного машиностроения необходимость знания 
технологами методов ЭФХО и соответствующих электрофизических и электрохимических технологий стала очевидной. Назрела необходимость выпуска 
высшей школой системных технологов, способных при решении сложных технологических задач «выходить» за традиционные рамки технологий механической обработки и принимать решения на основе системного подхода к технологии как науке, строящейся на базе знаний о всей совокупности технологических 
методов получения и обработки заготовок.  
Широкое использование в промышленности технологий ЭФХО обусловило введение в рамках укрупненной группы подготовки бакалавров 15.00.00 
«Машиностроение» профиля «Оборудование, инструмент и процессы механической и физико-технической обработки», а также включение в учебные планы 
традиционных технологических направлений и профилей бакалавриата во многих вузах дисциплины «Электрофизические и электрохимические методы обработки в машиностроении» или учебных дисциплин с близкими названиями.  
В этих дисциплинах должны рассматриваться физико-химические основы 
процессов обработки, реализуемых на базе применения технологических методов ЭФХО, элементы технологических систем, обеспечивающих технологии 
данной группы, в частности, технологическое оснащение, режимы обработки; 
основы проектирования технологических процессов обработки резанием с использованием электрохимических и (или) электрофизических методов обработки. В то же время учебной литературы, раскрывающей сведения по этим вопросам крайне мало, а учебника по дисциплине «Электрофизические и электрохимические методы обработки в машиностроении» вообще нет. Эта задача решается подготовкой данного издания. 
Учебная дисциплина «Электрофизические и электрохимические методы 
обработки в машиностроении» относится к группе технологических дисциплин, 
7 
 

теоретические основы которых составляет наука «Технология машиностроения». Эти основы, базирующиеся на документах системы технологической документации ЕСТД, изучаются бакалаврами технологических направлений подготовки 15.00.00 «Машиностроение» в учебной дисциплине «Основы технологии машиностроения». В связи с этим изучение учебной дисциплины «Электрофизические и электрохимические методы обработки в машиностроении» 
возможно только после освоения студентами дисциплины «Основы технологии 
машиностроения». Данное положение во многом определяет специфику содержания учебника «Электрофизические и электрохимические методы обработки в 
машиностроении», в котором теоретическим основам технологии машиностроения, изученной студентами при прохождении аналогичной по названию дисциплины, отводится минимальное внимание. Основной материал относится к 
научным основам группы технологических методов и процессов ЭФХО, протекающих в технологической системе при изготовлении изделия. 
В учебнике представлены материалы по электроэрозионным, химическим, электрохимическим, ультразвуковым методам обработки, методам обработки потоками высокоэнергетических микрочастиц и комбинированным методам обработки. Здесь же предложена инновационная естественнонаучная классификация всех технологических методов обработки, в основу которой положены физико-химические процессы, протекающие в технологической системе, 
и определено место в этой классификации электрофизических и электрохимических методов обработки. С целью упрощения восприятия студентами классификации на данной в тексте схеме (рис. 1.4) приведена упрощенная классификация только на уровне первых шести классификационных признаков. Дальнейшие уровни классификации, связанные с названием и областями применения методов ЭФХО, даются в разделах учебника, относящихся к конкретным 
группам методов естественнонаучной классификации.  
Учебник не претендует на детальное изложение всех аспектов применения методов ЭФХО, но дает необходимые сведения по каждому из них в том 
объеме, который достаточен выпускникам высшей школы для проектирования 
технологических процессов изготовления изделий в машиностроении с использованием современных электрофизических и электрохимических методов обработки.  
 
Основное внимание в учебнике уделено видам электрофизической и электрохимической обработки, направленным на изменение формы, размеров, качества поверхностного слоя заготовок. Вопросы, относящиеся к металлургическим методам формообразования (сварке, наплавке, пайке), методам нанесения 
покрытий и контроля изделий, даются в более сжатом, обобщенном виде с целью раскрытия студентам всей гаммы областей использования электрофизических и электрохимических технологий в изготовлении изделий машиностроения. 
Отдельным разделом в учебнике представлен материал по химическим 
методам обработки заготовок, несмотря на то, что этот метод не относят к 
группе методов ЭФХО. Введение этого раздела в структуру учебника обусловлено необходимостью обеспечить преемственность и дифференциацию в рас8 
 

 
крытии областей использования в машиностроении химических и электрохимических технологий. Нужно это также и потому, что в учебной литературе по 
технологии машиностроения материалы по химическим технологиям обработки заготовок практически не рассматриваются или распределены в ограниченном объеме по разным учебным дисциплинам.  
Учебник может быть с успехом использован не только специальностями 
и направлениями подготовки бакалавров укрупненной группы 15.00.00 «Машиностроение», но и студентами, обучающимися в других областях техники и 
технологий. 
В содержании данного учебника нашел отражение опыт, накопленный 
кафедрой «Технология конструкционных материалов и материаловедение» 
Санкт-Петербургского политехнического университета Петра Великого [16, 17 
и др.]. Учебник подготовлен большим авторским коллективом. Каждый из авторов внес в содержание материала свой опыт в области использования конкретных электрофизических и электрохимических технологий, приобретенный 
им при проведении научных исследований в соответствующей области научных знаний. 
Авторы выражают искреннюю признательность рецензентам учебника 
доктору технических наук, профессору Д. В. Василькову и доктору технических наук, профессору В. Я. Фролову за конструктивные замечания и предложения, высказанные при прочтении рукописи учебника. 
 
 
9 
 

 
СПИСОК СОКРАЩЕНИЙ 
ИВО - ионно-вакуумная обработка;
КИМ - коэффициент использования материала;
КПД - коэффициент полезного действия;
МАО - магнитно-абразивная обработка;
МАП - магнитно-абразивное полирование;
МЭП - межэлектродный промежуток;
ОКГ - оптический квантовый генератор;
ПЛО - плазменная обработка;
ПМО - плазменно-механическая обработка;
СЛО - светолучевая обработка;
СОЖ - смазывающе-охлаждающая жидкость;
ТМО - термомеханическая обработка;
УЗГ - ультразвуковой генератор;
УЗК - ультразвуковые колебания;
УЗО - ультразвуковая обработка;
ЧПУ - числовое программное управление;
ЭЛО - электронно-лучевая обработка;
ЭФХО - электрофизические и электрохимические методы обработки;
ЭХО - электрохимическая обработка;
ЭХОО - электрохимическая отделочная обработка;
ЭХРО - электрохимическая размерная обработка;
ЭЭО - электроэрозионная обработка;
CVD - Chemical Vapor Deposition (химическое осаждение покрытия  
     из парогазовой фазы).
 
 
 
10