Современные технологии формообразования

    ВЫСШЕЕ ОБРАЗОВАНИЕ - МАГИСТРАТУРА

    серия основана в 1 996 г.




В.А. ЛЕБЕДЕВ
А.И. БОЛДЫРЕВ
М.А. ТАМАРКИН
Ю.П. АНКУДИМОВ





                СОВРЕМЕННЫЕ ТЕХНОЛОГИИ ФОРМООБРАЗОВАНИЯ




УЧЕБНОЕ ПОСОБИЕ

2-е издание



                            Допущено Учебно-методическим объединением вузов по образованию в области автоматизированного машиностроения (УМО AM) в качестве учебного пособия для студентов высших учебных заведений, обучающихся по направлению подготовки
                                       «Конструкторско-технологическое обеспечение машиностроительных производств»



znanium.com

Москва ИНФРА-М 2023

УДК 621.9.04(075.8)
ББК 34.44я73

     Л33



     Рецензенты:
        Киричек А.В., доктор технических наук, профессор;
        Бутенко В.И., доктор технических наук, профессор





      Лебедев В.А.
Л33 Современные технологии формообразования : учебное пособие / В.А. Лебедев, А.И. Болдырев, М.А. Тамаркин, Ю.П. Анкудимов. — 2-е изд. — Москва : ИНФРА-М, 2023. — 320 с. — (Высшее образование: Магистратура). — DOI 10.12737/textbook_5cb81c45bb7c32.51790723.


          ISBN 978-5-16-015252-3 (print)
          ISBN 978-5-16-107724-5 (online)

         В учебном пособии представлены современные технологии формообразования деталей высокоэнергетическими методами обработки, основанными на использовании физических и химических эффектов. Раскрыта их сущность, технологические возможности, средства технологического оснащения, а также условия рационального применения и методика проектирования в различных вариантах технологических процессов изготовления изделий.
         Подготовлено в соответствии с образовательными программами по направлению 15.04.05 «Конструкторско-технологическое обеспечение машиностроительных производств» и предназначено для магистров вышеуказанного направления, а также для специалистов, занимающихся вопросами технологической подготовки машиностроительных производств.


УДК 621.9.04(075.8)
ББК 34.44я73












ISBN 978-5-16-015252-3 (print)
ISBN 978-5-16-107724-5 (online)

                               © Лебедев В.А., Болдырев А.И., Тамаркин М.А., Анкудимов Ю.П., 2019

Введение
      Формообразующая обработка деталей является важнейшим аспектом машиностроительного производства. Основные характеристики детали - это ее форма и материал (в том числе его состояние и физико-механические свойства), из которого деталь изготовлена.
      Формообразующая обработка рассматривается как процесс активного воздействия на заготовку с целью изменения ее формы и таким путем превращения заготовки в деталь. К настоящему времени создано большое количество способов и методов обработки деталей. По виду используемой энергии они делятся на механические, электрические, тепловые и химические.
      Механическая обработка по сравнению с электрическими и химическими методами имеет ряд преимуществ и поэтому еще долгое время останется типовой операцией в производстве машин. Появление новых видов высокопрочных, нержавеющих и жаропрочных материалов, трудно обрабатываемых обычными методами резания, обусловило возникновение новых высокоэнергетических методов обработки, удельный вес которых в общем объёме металлообработки постоянно растёт.
      Высокоэнергетические методы обработки следует рассматривать как одну из областей современной электротехнологии, которая основана на применении электрической энергии для непосредственного или опосредованного использования при формообразовании поверхностей. Современная электротехнология обработки материалов имеет весьма широкий спектр применения, включая, в том числе, электросварку, электронагрев, электроосаждение металла, но для съема и удаления металлических и неметаллических материалов используют следующие физикохимические методы:
     - электрофизические методы обработки;

3

     -  электрохимические методы обработки.
     Под электрофизическими и электрохимическими методами размерной обработки понимают совокупность электрических, электромагнитных и электрохимических процессов или различных сочетаний теплового, механического или химического воздействия на твердое тело с целью придания ему заданных формы и размеров.
     В зависимости от вида воздействия на обрабатываемый материал высокоэнергетические методы обработки можно разделить на четыре большие группы.
     Первая, наиболее многочисленная группа, - это электрофизические           методы,           использующие
высококонцентрированные источники мощности. При концентрации плотности мощности, достигающей 10⁵-10⁸ Вт/см² на локальном участке поверхности, энергия электрического тока или электромагнитного поля преобразуется в зоне обработки в тепловую, определяющую и удаление припуска стружки в жидком или парообразном состоянии.
     При этом высокая концентрация достигается благодаря локализации выделяющейся энергии в пространстве и времени при подводе энергии через канал разряда, луч лазера, поток плазмы или электронный луч.
     В эту группу входят электроэрозионная, электроконтактная, плазменная, лучевая и лазерная обработки.
     Вторая группа - электрохимические методы, основанные на одновременном преобразовании по всей обрабатываемой поверхности электрической энергии в химическую энергию; при этом анодное растворение или катодное осаждение происходит при значительно меньшей мощности источника энергии (примерно 10-Ю⁴ Вт/см) непрерывно или импульсно. В нее входят многочисленные разновидности электрохимической обработки, основанные на анодном растворении материала и

4

методы химического фрезерования, основанные на растворении материала кислотами и щелочами.
     Третья группа - комбинированные процессы обработки, в которых сочетается одновременно или последовательно использование нескольких видов процессов, эффективно дополняющих друг друга собственными энергетическими воздействиями.
     Четвёртая группа включает методы импульсного механического воздействия на обрабатываемый материал. Это магнитоимпульсная, взрывная, ультразвуковая обработка.
     Общими            характерными           особенностями
высокоэнергетических методов обработки, которые обеспечивают их преимущество, по сравнению с механической обработкой, являются:
     -        независимость производительности от твердости и вязкости обрабатываемого материала; исключение составляет ультразвуковой метод, который можно применять только при обработке преимущественно хрупких материалов;
     -        возможность копирования сложной формы по всей поверхности заготовки при достаточно простой кинематике -поступательном перемещении инструмента;
     -        возможность введения энергии большой мощности в рабочую зону, что обеспечивает высокую производительность обработки;
     -        осуществление обработки практически без силового воздействия инструмента на деталь, что позволяет выполнить инструмент из легкообрабатываемого материала, а также обрабатывать детали нежесткой конструкции, или нежестким инструментом;
     -        простота автоматизации оборудования и возможность многостаночного обслуживания.

5

      Основной недостаток методов электротехнологии по сравнению с механической обработкой - высокая энергоемкость.
      Методы электротехнологии целесообразно применять в следующих случаях:
      -      когда обрабатываемый материал плохо поддается механической обработке, например, при формообразовании жаропрочных, нержавеющих, магнитных, титановых и твердых сплавов, полупроводниковых материалов, ферритов, керамики и минералов;
      -      на операциях, выполнение которых традиционными методами вызывает значительные трудности, например, при изготовлении криволинейных каналов, соединительных каналов и отверстий в труднодоступных местах пневмо- и гидроаппаратуры, при изготовлении цельных роторов с лопатками;
      -      для изготовления деталей, не допускающих силового воздействия инструмента на заготовку, например, тонкостенных деталей приборов, деталей из хрупких материалов, а также для клеймения и маркирования режущего инструмента;
      -      для механизации и автоматизации таких операций, как удаление заусенцев, изготовление шаблонов, изготовление вырубных штампов;
      -      с целью значительного сокращения числа операций по сравнению с механической обработкой при изготовлении деталей сложной формы;
      -      для снижения затрат на инструменты, например, для изготовления отверстий малого диаметра, клеймения и маркирования деталей высокой твердости, изготовления сложных поверхностей [4].
      В настоящем учебном пособии проведено обобщение известных современных физико-химических методов обработки деталей и показаны пути повышения эффективности их использования применительно к новым видам материалов, что

6

позволит при проектировании технологических процессов обработки типовых деталей быстрее определять возможные методы реализации технологических процессов изготовления деталей.
     При написании учебного пособия авторами использованы материалы, посвящённые физико-технологическим основам современных методов формообразования и представленные в научных и учебно-методических трудах учёных ведущих научных школ высшей школы.

Раздел 1. ФИЗИКО-ХИМИЧЕСКИЕ МЕТОДЫ ФОРМООБРАЗОВАНИЯ ДЕТАЛЕЙ С ПРИМЕНЕНИЕМ ИНСТРУМЕНТА

Глава 1. ТЕХНОЛОГИЯ ЭЛЕКТРОЭРОЗИОННОЙ ОБРАБОТКИ

1.1. Сущность электроэрозионной обработки
     Явление электрической эрозии, т.е. разрушение контактов под действием электрических разрядов, известно давно. В частности, искровые и дуговые разряды возникают при разрыве или отключении электрических цепей. Электрическая эрозия -очень «вредное» явление в энергетике, сокращающее срок службы и надежность электрических устройств. Советские ученые Б.Р. Лазаренко и Н.И. Лазаренко впервые использовали эффект электрической эрозии для направленного удаления металла. С этой целью они поместили электроды (инструмент и заготовку) в жидкий диэлектрик, который охлаждал образующиеся продукты электрической эрозии и не позволял им оседать на противоположный электрод. В качестве генератора импульсов они использовали батарею конденсаторов 2 (рис. 1.1), заряженных от источника постоянного тока. Время зарядки конденсаторов регулировалось реостатом 1. При перемещении


7

электрода-инструмента 3 в направлении к заготовке 4 при определенном зазоре, называемом межэлектродным промежутком, возникали электрические разряды, а образующиеся продукты обработки попадали в диэлектрическую жидкость 5 и оседали на дно ванны. Таким образом, происходило копирование профиля электрода на заготовке. Этот эффект в 1943 г. был признан изобретением, которое имело выдающееся значение, так как этим самым был создан совершенно новый метод формообразования поверхностей.


      Рис. 1.1 Схема электроэрозионной обработки

      Первоначально для осуществления электроэрозионной обработки (ЭЭО) применяли исключительно искровые разряды, создаваемые конденсатором в так называемом RC-генераторе. Поэтому новый процесс назвали электроискровой обработкой. Позднее были разработаны специальные генераторы импульсов, благодаря которым обработку можно было производить не на коротких искровых импульсах, а на более длительных искродуговых и дуговых разрядах. Чтобы отличить новые условия процесса, его стали называть электроимпульсной обработкой.


8

      В дальнейших исследованиях этих видов обработки был выявлен так называемый полярный эффект, при котором эрозия одного электрода, больше чем эрозия другого. Существенное влияние на полярный эффект имеет длительность электрического разряда. Так, при коротких импульсах тепловая энергия преимущественно выделяется на аноде, что естественно приводит к большей его эрозии. При увеличении длительности импульса наступает обратное изменение теплового потока и соответственно эрозии электродов, при которой больше изнашивается катод. Поскольку электрод-инструмент должен подвергаться меньшей эрозии, чем обрабатываемая заготовка, то принята следующая полярность:
      -       при электроискровой обработке принимается прямая полярность, т.е. электрод - катод (-), заготовка - анод (+);
      -       при электроимпульсной обработке - обратная полярность (электрод (+), обрабатываемая заготовка (-) [1].


      Явления, протекающие в результате электрических разрядов, включают следующие последовательно протекающие стадии, представленные на          рис. 1.2. Стадия 1 - пробой
межэлектродного промежутка, в процессе которого в диэлектрической среде образуется канал сплошной проводимости. На стадии 2 и 3 формируется канал разряда,

9

представляющий собой быстро расширяющуюся зону сквозной проводимости, заполненную плазмой из электронов и ионов с очень высокой температурой. Это приводит к частичному испарению, а также расплавлению поверхностей анода и катода, а за счет сжатия практически несжимаемой диэлектрической жидкости в канале создается высокое давление (до 20 МПа), а также газовый пузырь, расширяющийся с большой скоростью.
      Стадия 4. В образовавшемся газовом пузыре давление намного превосходит атмосферное, что приводит к перегреву расплавленного металла выше его температуры плавления. После окончания разряда давление в газовом пузыре падает ниже атмосферного и происходит его схлопывание. Перегретый токопроводящий материал взрывообразно вскипает, что приводит к его выбросу с поверхностей электродов. Разряд образует на поверхностях электродов лунки, которые увеличивают на локальном участке размер межэлектродного промежутка. Большое количество таких лунок, размеры которых определяются энергией и длительностью единичных разрядов, формирует геометрию межэлектродной полости.
      После разряда в течение некоторого времени происходит остывание столба канала и деионизация вещества плазмы в межэлектродном промежутке. Электрическая прочность межэлектродного промежутка восстанавливается. Время деионизации жидкого диэлектрика составляет 10’⁶-10'²с. Оно зависит от энергии предшествующего разряда. Следующий разряд обычно возникает уже в новом месте, между двумя другими ближайшими точками электродов. Длительность интервалов между импульсами должна быть достаточной для удаления из зоны разряда продуктов эрозии, а также газового пузыря, являющегося главным препятствием для возникновения и повторения следующих разрядов. В связи с этим частота разрядов с возрастанием их энергии снижается. Так происходит до тех пор,

10