Электротехнологические методы обработки

Неоспоримым достоинством этого метода кроме высокой производительности является возможность работы на переменном токе на воздухе или в воде без применения специальных электролитов, что автоматически снижает расчетную стоимость как электрооборудования станка так и стоимость его обслуживания, одновременно с этим увеличивается пожаробезопасность оборудования и снижается трудоемкость его обслуживания.

Рисунок 3 - Схема электроконтактной  обработки.

 

На рисунке 3 представлена схема простейшего устройства для  электроконтактной обработки. Напряжение поступает на трансформатор 1 со вторичной обмотки которого переменное напряжение (амплитудой до 40 В) подается на два электрода, которыми в данном случае являются диск 2 из электропроводного материала и листовая заготовка 3. Дисковый электрод-инструмент вращается электродвигателем с частотой . Установка прижимает диск к заготовке с силой   и диск, вращаясь вокруг оси, перемещается также вдоль обрабатываемой поверхности со скоростью подачи .

Пространство между электродами  заполняется непроводящей рабочей  средой, выполняющей функции аналогичные  электроэрозионной обработке и  одновременно выполняя функции охладителя, чтобы избежать излишнего перегрева  обрабатываемой детали и инструмента  электрода.

Электроды одновременно подвергаются механическим и электрическим воздействиям.

 Мощность поступления электрической  энергии равна: 

,                                                                                                (1)

где U и I действующие значения напряжения и тока; - коэффициент мощности.

Мощность поступления  механической энергии:

,                                                                                           (2)

где - момент сопротивления на валу

инструмента-электрода,                                                                                     (3)

      -сила сопротивления,                                                          (4)

       - радиус диска,

       - коэффициент трения между электродами.

Суммарная мощность энергии вводимой в пространство между электродами:

.                                                                 (5)

Часть мощности преобразуется в тепловую мощность, используемую для расплавления поверхностного слоя электрода-заготовки в зоне обработки электродом-инструментом.

Источниками выделения теплоты в зоне контакта инструмента и заготовки являются электрические разряды, повышенное сопротивление зоны контакта и трение между инструментом и заготовкой.

В зависимости от соотношения  между электрической и механической мощностями осуществляются различные режимы данного типа обработки материалов. Если механическая мощность в выражении ( 5 ) больше электрической, то энергия в  междуэлектродное пространство вводится (т.е. обеспечивается нагревание, расплавление и последующее снятие материала с заготовки) в основном благодаря трению и электроконтактная обработка носит преимущественно механический характер. При высоких значениях напряжения и небольшой механической силе электрическая мощность превышает механическую, и электроконтактная обработка приобретает хорошо различимые черты электроэрозионного процесса. При этом электрическая энергия превращается в тепловую, с одной стороны вследствие возникновения джоулевой теплоты в области кратковременного электрического контакта между участками электродов и, с другой стороны, в результате действия электрических разрядов между электродами, как при электроэрозионной обработке.

При невысоком  (один, два Вольта) основное значение имеет механическое трение, при напряжении от двух до десяти Вольт электрическая энергия превращается в тепловую благодаря контактному сопротивлению в области касания участков электродов, при этом электрические разряды отсутствуют. При напряжении свыше десяти Вольт процесс становится чисто эрозионным, поскольку напряжение достаточно для возникновения дугового разряда и переноса зарядов через плазменный канал без соприкосновения электродов друг с дружкой.

 Таким образом,  в наиболее общем случае могут  одновременно действовать три  источника теплоты: механический, электроконтактной и электроэрозионный, и в то же время возможно их различное сочетание, т.е. возможно большое разнообразие несхожих по физической сущности процессов.

Эта теплота, выделяемая в зоне контакта, размягчает и расплавляет  материал снимаемого слоя, одновременно движение инструмента обеспечивает механический вынос частиц металла из зоны обработки.

 

3.2 Оборудование и технологическая оснастка для электроконтактной обработки.

Для электроконтактной  обработки на переменном токе промышленной частоты не требуется специально спроектированных источников питания. Применяемые источники тока обычно содержат понижающий трансформатор, первичная обмотка которого включается в промышленную сеть, а со вторичной обмотки напряжение значением          до 40 В подается на электроды.

Рисунок 4 - Схема электроконтактного станка для прошивания отверстий.

 

Для схем питания станков  использующих электроконтактную обработку  используют трансформаторы большой  мощности от 30 до 500 кВ·А, имеющие на вторичной обмотке напряжение от 30 до 70 В (это марки трансформаторов СТЭ-34, ТСД-100-3, ТК-16-31, ТСУ-120 ∕ 05 и ряд специальных типов.)

Иногда по технологическим  причинам возникает необходимость  использования электроконтактной  обработки на постоянном токе. Тогда  на помощь приходят мощные выпрямители переменного тока. Однако следует заметить что при использовании постоянного тока габариты увеличиваются примерно в 12 раз, следовательно сразу увеличивается стоимость оборудования и потребляемая мощность, а значит и падает значение сэкономленной энергии (при самом процессе падение составляет 200%, а при режиме холостого хода 500%). Кроме этого использование переменного тока в процессе электроконтактной обработки безопаснее и, в конце концов, проше как для монтажа и ремонта, так и при работе.

 

Рисунок 5 - Схема электроконтактной  резки (а), обдирки (б), сверления (в),

и фрезерования (г).

 

На рисунке 5 приведены  типовые схемы электроконтактной  обработки. Обработка детали 2 с подачей  жидкости 3 производится вращающимся  с большой окружной скоростью диском 1. Инструмент представляет собой либо диск (при разрезании), либо вращающуюся или вибрирующую трубку (при сверлении или долблении), либо вращающуюся металлическую щетку (при шлифовке или очистке).

Обычно электроконтактная  обработка производится гладкими дисками, но при этом снятый с электрода-заготовки металл равномерно выжимается во все стороны, образуя наплывы и препятствуя движению диска. Чтобы  избежать этого осложнения применяются диски с профилями, которые обеспечивают некоторый зазор между электродами, например секционный диск с впадинами и выступами или диск с впаянными " зубами " из твердого сплава, или диск в виде спирали Архимеда. Применение подобных дисков приводит к более качественной обработки деталей и более равномерной загрузке электрической цепи. Но вот только изготовление подобных дисков гораздо сложнее и дороже чем простых сплошных, соответственно возникает извечный вопрос соразмерности цели и метода, который в каждой конкретной ситуации решается сообразно желаниям и возможностям.

Еще одним неоспоримым  достоинством электроконтактной обработки  является применение довольно простого оборудования, которое зачастую изготавливается  на базе хорошо освоенных как для  производства так и для ремонта, металлорежущих станков.

Электроконтактная обработка различается также по типу используемого диэлектрика-охладителя. Так применяется воздух и вода как диэлектрик и одновременно элемент охлаждения готового изделия и инструмента. Использование воздушной струи гораздо легче реализовать (достаточно провести воздушную линию от компрессора), оно существенно безопаснее (нет вероятности попадания воды на электрооборудование), производительность этого способа много выше, чем при использовании водяных смесей, однако при использовании воздуха в качестве диэлектрика образуется дефектный слой материала значительной толщины. Толщина этого дефектного слоя ощутимо снижается при замене воздуха на водяную смесь, но сразу страдают остальные показатели, такие как производительность, безопасность и, что на мой взгляд наиболее ощутимо, происходит значительный износ электрода (примерно 80% на 100% готового изделия).

Производительность установки  также зависит от значений рабочего напряжения и силы тока – с их ростом она увеличивается, но при  этом страдают точность обработки и величина шероховатости поверхности.

К недостаткам электроконтактной  обработки можно отнести невысокое  качество обрабатываемой поверхности (конечно это сравнение относится  к электроэрозионной, лучевой обработкам), что означает что детали либо надо дополнительно зачищать, либо удовлетворится не идеальностью их поверхностей.

Чтобы увеличить точность обработки, и снизить количество микротрещин и наплывов необходимо постоянно следить за теплообменом в зоне обработки. Также решающее значение имеет правильный выбор режимов обработки, скоростей вращения и подачи диска, силы давления на диск, скоростей подачи воздуха или воды, формы инструмента-электрода.

Современным следящим системам автоматизированного управления эти  задачи вполне по силам. Конечно расчетная и итоговая стоимость подобного оборудования возрастает в несколько раз, но эти деньги вполне окупятся через примерно пять лет использования подобных станков электроконтактной обработки. Это произойдет вследствие уменьшения количества бракованных или низкокачественных деталей; увеличения срока службы как электрода инструмента так и всего оборудования в целом; увеличения и без того высокой производительности.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

4 ЭЛЕКТРОИМПУЛЬСНАЯ ОБРАБОТКА

 

4.1 Принцип действия оборудования использующего электроимпульсную обработку.

Электроимпульсная обработка  основана на преобразовании электрической  энергии в механическую,  совершаемом  без промежуточных звеньев и  называемом электрогидравлическим  эффектом (именно поэтому электроимпульсную  обработку иногда называют электрогидравлической). Электрогидравлический эффект основан на механическом воздействии расширяющегося плазменного канала, возникающего при очень кратковременном высоковольтном импульсном разряде, на окружающую жидкую  среду, которая уже непосредственно передает это воздействие на обрабатываемую заготовку.

Этот эффект состоит в том, что  при прохождении внутри конечного  объема жидкости, запертой в сосуде, высоковольтного импульсного разряда  в, зоне его образования возникает  импульсные же сверхвысокие гидравлические давления. Эти сверхдавления проявляются в возникновении ударной волны, которая распространяется в жидкой среде ограниченной объемом сосуда, и последующей пластической деформации металлических и неметаллических заготовок расположенных на дне сосуда.

Рисунок 6 - Принципиальная схема процесса электрогидравлической  штамповки.

 

 

Электрогидравлическая штамповка осуществляется с очень  высокими параметрами силовых воздействий  на заготовку, что является положительной  стороной процесса и на само оборудование установки (появляется необходимость изготовления специальных ударопрочных резервуаров). Электрический разряд создающий  давления от 100 до 1000 МПа сообщает деформируемой заготовке ускорение от до , при этом скорость деформации заготовки достигает почти немыслимых 100 .

Скорость и давление ударной  волны, образовавшейся при электрическом  разряде в жидкости, зависят от основных технологических параметров, которые можно свободно изменять и подстраивать под конкретный тип материала заготовки. Скорость и давление уменьшаются по мере удаления от центра разряда и при уменьшении энергии разряда. Эти два фактора можно выразить в следующей зависимости.

Давление в жидкости на фронте ударной волны определяется как:

,                                                                   (6)

где – длина разрядного промежутка (расстояние между электродами)

(см. рисунок 6);

      U, C – напряжение и емкость конденсаторной батареи соответственно;

       - расстояние между разрядным каналом и заготовкой.

Из формулы (6) видно, что при неизменных значениях емкости конденсатора С и межэлектродного расстояния давление определяется прямой функцией от значения напряжения U.

Для определения технологически оптимальной  длины разрядного промежутка, обеспечивающего  наиболее эффективную работу электрогидравлической  установки, пользуются формулой:

,                                                                  (7)

где - площадь поверхности положительного электрода, контактирующего с водой.

Основным энергетическим показателем  процесса электрогидравлической (электроимпульсной) штамповки является эффективность разряда, определяемая отношением энергии , выделившейся в канале разряда, к энергии запасенной в конденсаторной батарее .