Электрофизические методы обработки материалов

Министерство науки и высшего образования  

Российской Федерации 

Уральский федеральный университет 

имени первого Президента России Б. Н. Ельцина 

И. С. Жидков, А. И. Кухаренко, С. О. Чолах 

ЭЛЕКТРОФИЗИЧЕСКИЕ МЕТОДЫ 

ОБРАБОТКИ МАТЕРИАЛОВ 

Учебное пособие 

Рекомендовано методическим советом  

Уральского федерального университета для студентов вуза, 

обучающихся по направлениям подготовки 

11.03.04, 11.04.04 — Электроника и наноэлектроника

Екатеринбург 

Уральский федеральный университет 

2019 

УДК 537-77: 537.57(075.8):53.06 
ББК 22.33+31.244я73
          Ж69 

Рецензенты:
доц., канд. техн. наук И. В. Бекетов (завлабораторией импульсных 

процессов института электрофизики УрО РАН);

кафедра физики УГГУ (проф., д-р физ.-мат. наук И. Г. Коршунов)

Научный редактор — проф., д-р физ.-мат. наук С. П. Никулин

На обложке использовано изображение с сайта https://is.gd/PcSe8J

Ж69

Жидков, И. С.
Электрофизические методы обработки материалов : учебное 
пособие / И. С. Жидков, А. И. Кухаренко, С. О. Чолах. — Екатеринбург : Изд-во Урал. ун-та, 2019. — 195, [1] с.
ISBN 978-5-7996-2608-2

Учебное пособие предназначено для студентов, обучающихся по направ
лениям 11.03.04, 11.04.04 «Электроника и наноэлектроника», аспирантов 
и научных работников.

В настоящем учебном пособии рассмотрены основные способы электро
физической обработки материалов, применяемые на практике. Изложены основные физические принципы работы электрофизических установок. Рассмотрены основы устройства электрофизических установок, представлены 
схемы типичных устройств для электрофизического воздействия. Рассмотрены некоторые области современной техники и конкретные технологии, где 
применяются высокое напряжение и ультракороткие импульсы.

Учебное пособие может быть использовано для студентов и аспирантов 

физических специальностей, в том числе по курсам «Электрофизические методы обработки материалов», «Актуальные проблемы современной электроники больших мощностей», «Импульсные процессы и импульсная техника».

Библиогр.: 10 назв. Рис. 58. Табл. 12.

УДК 537-77:537.57(075.8):53.06 
ББК 22.33+31.244я73 

ISBN 978-5-7996-2608-2
© Уральский федеральный 
     университет, 2019

Введение 

Введение 

Б

олее полутора веков отделяет нас от того времени, когда 
человек научился добывать и использовать в промышленности электрическую энергию. Прошлое столетие ха
рактеризуется всесторонним изучением свойств электрической 
энергии, разработкой промышленных способов ее производства, открытием способов ее применения. Результаты исследований в этой области оказались столь существенными, что 
утвердилось мнение о полной изученности свойств и возможностей этого нового вида энергии. Как следствие этого, первые 
десятилетия текущего столетия характеризуются лишь увеличением количества добываемой электрической энергии и всемерным развитием и использованием закономерностей, открытых 
в прошлом столетии (за исключением электроники в широком 
понимании этого термина).

В настоящее время на нашей планете ежегодно производит
ся примерно 24000 млрд кВт∙ч электроэнергии. И, тем не менее, 
во всех странах ведется упорная борьба за дальнейшее увеличение этого количества. В электрическую энергию перерабатывается громадное количество горючих ископаемых, энергия 
ветра, воды, лучистая энергия солнца и действие ряда химических процессов.

Подобное увеличение производства электрической энергии 

не случайно. Оно вызвано тем, что из всех известных ныне видов энергии электрическая энергия является наиболее удобной в использовании. В самом деле, возможность передачи ее 
на большие расстояния с весьма малыми потерями, просто

Электрофизические методы обработки материалов

та способов подведения больших мощностей непосредственно к месту потребления энергии, наконец, возможность с помощью весьма простых устройств превращать электрическую 
энергию во все другие виды энергии делают этот вид энергии 
в наш век незаменимым. Более того, едва ли в ближайшее десятилетие это положение изменится, поскольку известно, что 
ядерные реакции в энергетике могут быть использованы только через электрическую энергию.

Значительно сложнее решаются проблемы использования 

электрической энергии. Общеизвестно, что, начиная с прошлого 
столетия и по самое последнее время, подавляющая часть электрической энергии переформировалась в механическую. С ее помощью в движение приводятся бесчисленные станки и механизмы, транспорт, подъемные сооружения и многое другое.

Нынешнее столетие во всех странах характеризуется инте
ресными особенностями перераспределения удельного расхода электрической энергии между различными потребителями. 
Является характерным то, что, наряду с абсолютным увеличением расхода электрической энергии, удельный расход ее 
на трансформацию в механическое движение все время падает. 
Одновременно с этим резко возрастает абсолютный и относительный расход электрической энергии на осуществление технологических процессов.

На рис. В.1 приведены данные по выработке электроэнер
гии по годам в России, Китае и США. Даны также прогнозы 
до 2030 года.

Технологические процессы, как у нас, так и за рубежом, в по
давляющем большинстве случаев основаны на использовании 
открытий прошлого века и по своему существу в известной 
мере еще примитивны, поскольку используют наиболее простые свойства электрической энергии — способность ее превращаться в тепло или действие стационарного электрического 
поля (гальванические процессы, очистка газов, электрическая 
окраска изделий и др.). Однако даже с этими оговорками сле

Введение 

дует признать, что началось движение, темп которого все время нарастает, — по непосредственному использованию электрической энергии в технологических целях.

Рис. В.1. Выработка электроэнергии по годам с прогнозом до 2030 года:

1 — Китай, 2 — США, 3 — Россия

Выше указывалось, что даже сейчас более половины добы
ваемой электрической энергии используется для получения механических усилий. Прошло уже более 100 лет, как появился 
первый электрический двигатель, т. е. машина, преобразующая 
электрическую энергию в механическое движение. На протяжении всего этого времени существующий электродвигатель, 
несмотря на ряд крупнейших недостатков, которыми он обладает, является единственным средством превращения электрической энергии в механическое движение. Даже сейчас, когда 
культура расчета и производства рассматриваемых электрических машин весьма высокая, двигатель обладает исключительно 

Электрофизические методы обработки материалов

большим весом на единицу мощности (10 кг/кВт). Электродвигатели обладают и другими недостатками: они дают возможность трансформировать электрическую энергию только во вращательное движение, для их изготовления требуется большое 
количество меди и др.

В конце XIX столетия произошло немаловажное событие 

в области обработки металлов: станки стали приводиться в движение при помощи электрической энергии. Однако, начиная 
с тех пор и до настоящего времени в представлении механиков 
по металлообработке электричество не является действующей 
силой — оно только источник этой силы, способной превращаться в механическую энергию, в видимое движение. Стремление приблизить энергию к зоне обработки заставило перейти 
на многомоторный привод отдельных кинематических звеньев. 
Создание фланцевых электродвигателей позволило просто решить эту задачу. Однако и в этом случае максимального приближения источника энергии к зоне ее реализации сама природа съема металла осталась прежней: это все те же механические 
усилия, при помощи которых снимается стружка с изделия. Стало очевидным, что дальнейшее приближение электрической 
энергии к месту обработки без изменения при этом самого существа процесса является невозможным. Поэтому логическим 
завершением описанного пути должно быть появление процесса принципиально нового качества, при котором съем металла с изделия осуществляется уже непосредственным освобождением самой электрической энергии. В этом случае процесс 
резания металлов перестает быть механическим и превращается в процесс электрический — электроискровой (электроэрозионный) способ обработки металлов, позволяющий при помощи электрических импульсов быстро и точно обрабатывать 
все токопроводящее материалы с любыми физическими и химическими свойствами.

Новая физическая природа этого процесса уже отрицает 

необходимость применения механических усилий. Электри

Введение 

чество уже не «источник» силы, оно само — сила. Оно само 
непосредственно взрывает и выбрасывает металл точно по заданному направлению. Оно производит работу. Все поменялось 
местами: электричество непосредственно обрабатывает металл, 
а «механика» выполняет вспомогательную подсобную роль.

Используемый здесь электрический импульс — типичный 

пучок электронов плазмы. Однако для осуществления электроискровой обработки необходим электрод, непосредственно обрабатывающий каждую точку заготовки. Поэтому должен был 
появиться новый способ, свободный от этого недостатка, способ, когда направление движения электронного пучка задается магнитным или электрическим полем. Такие способы появились — обработка электронным и световым лучом.

Появление и развитие электрофизических методов обработ
ки материалов, использующих особые возможности электрической энергии (ее универсальность, пригодность для концентрации больших мощностей и легкая делимость на небольшие 
количества, способность превращаться в другие виды энергий), 
стало возможным только в современных условиях. Необходимая для этого теоретическая база и технические предпосылки создавались в течение двух веков работами многих ученых 
и инженеров.

Для последних лет характерен бурный процесс авиацион
ной, ракетной, атомной и электронной техники, газотурбостроения, энергетического, общего, специального и химического 
машиностроения, металлургической, приборостроительной, 
электротехнической и инструментальной промышленности. Развитие этих отраслей вызвало резкое увеличение потребления жаропрочных, магнитных, нержавеющих, антикоррозионных и других высоколегированных сталей и твердых 
сплавов, полупроводниковых материалов, алмазов, рубинов, 
кварца, ферритов и многих других материалов, обработка которых обычными механическими методами затруднена или  
невозможна.

Электрофизические методы обработки материалов

Современные конструкции машин, приборов и аппара
тов требуют высокой точности изготовления деталей, которые 
не могут быть обработаны известными механическими методами, например, соединительные каналы в труднодоступных 
местах. В некоторых случаях необходимо изготовление деталей 
и изделий из малопластичных, трудно деформируемых металлов и сплавов, которые не могут быть изготовлены с помощью 
существующего механического оборудования.

Во всех указанных случаях, и в особенности при их соче
тании, эффективно используются новые электрофизические методы обработки материалов. Эти методы, основанные 
на различных физико-химических процессах энергетического 
воздействия на твердое тело, позволяют осуществить обработку и формообразование материалов и получить изделие с заданными формой и размерами, но на другой технической основе 
и соответственно с другими, в ряде случаев, более широкими 
технологическими возможностями. В зависимости от используемого физического процесса новые методы обработки материалов могут быть условно разделены на следующие группы:

1. Электроэрозионные методы обработки токопроводящих 

материалов и сплавов основаны на использовании преобразуемой в тепло энергии импульсных электрических разрядов, 
возбуждаемых между инструментом и изделием. В зависимости от вида электрического разряда (искра, дуга), параметров 
импульсов тока, напряжения и других условий электроэрозионная обработка подразделяется на электроискровую, электроимпульсную, электроконтактную и анодно-механическую.

Каждой разновидности электроэрозионной обработки свой
ственны определенные технологические характеристики, оборудование и область промышленного применения.

2. Магнитоимпульсная обработка материалов основана на ис
пользовании энергии сильного импульсного магнитного поля. 
Она является новым технологическим направлением, которое 
не вышло из стен лабораторий, но перспективы которого очень 

Введение 

широки. Особо широкое применение магнитоимпульсная обработка найдет для формообразования малопластичных, трудно 
деформируемых материалов, для вырубки и штамповки и осуществления многих оборотных операций.

3. Лучевые методы обработки используются для обработки 

токопроводящих материалов и диэлектриков. Они основаны 
на съеме материала при воздействии на него сфокусированными лучами с высокой плотностью энергии. Съем материала 
осуществляется преобразованием этой энергии непосредственно в зоне обработки в тепло.

К лучевым методам относится обработка световым, элек
тронным и ионным лучами.

4. Ультразвуковой метод обработки является методом меха
нического воздействия на материал. Он назван ультразвуковым благодаря тому, что частота ударов соответствует диапазону неслышимых звуков выше 16 кГц. Ультразвуковым методом 
могут обрабатываться твердые и хрупкие материалы, частицы 
которых могут как бы выкалываться при ударе. Известны технологические процессы, основанные на других свойствах высокочастотных упругих механических колебаний.

Электрофизические методы обработки материалов

Глава 1. Электрический взрыв 
в конденсированных средах

В 

электробалансе страны на долю электротехнологии приходится около 15 % потребляемой электроэнергии, причем 
неуклонное развитие науки и техники ведет к непрерывно
му росту этой доли, вызывает к жизни все новые электротехнологические процессы. Уже нашли широкое применение или представляются перспективными многие электрофизические методы 
обработки и разрушения материалов, среди которых широко известны электроэрозионные, плазменные, электролучевые и другие. Часть этих методов основана преимущественно на тепловом 
воздействии электрического тока, часть на механическом. Среди последних можно выделить группу методов, в основе которых 
лежит электровзрывное воздействие на объект.

Известно, что взрыв — крайне быстрое выделение энергии, 

связанное с внешним изменением состояния вещества, как 
правило, сопровождаемое разбрасыванием или разрушением 
окружающей среды, образованием в среде особого рода возмущения — ударной или взрывной волны, переходом начальной 
энергии в энергию движения вещества. В том случае, когда начальным видом энергии является электрическая энергия, это 
явление можно классифицировать как электровзрыв.

При искровом разряде или при разряде через проводник 

достаточно малого сечения электрическая энергия, переходя 
в тепло окружающей среды или испаренного металла, может 
дать явление электрического взрыва.