автореферат диссертации по машиностроению и машиноведению, 05.02.07, диссертация на тему:Электрофизикохимическая обработка с применением плазменного катода-инструмента

На правах рукописи

005008747

ГРАЧЕВ Олег Евгеньевич

ЭЛЕКТРОФИЗИКОХИМИЧЕСКАЯ ОБРАБОТКА С ПРИМЕНЕНИЕМ ПЛАЗМЕННОГО КАТОДА-ИНСТРУМЕНТА

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Специальность 05.02.07 Технология и оборудование механической и физико-технической обработки

1 2 Я Н В 2012

Тула 2011

005008747

Работа выполнена в ФГБОУ ВПО «Тульский государственный университет»

Научный руководитель:

доктор технических наук, профессор Любимов Виктор Васильевич

Официальные оппоненты:

доктор технических наук, профессор Сальников Владимир Сергеевич;

кандидат технических наук Щукин Александр Сергеевич

Ведущее предприятие:

ГУП «Конструкторское бюро приборостроения», г. Тула

Защита диссертации состоится февраля 2012 г. в 14— часов на заседании диссертационного совета Д 212.271.01 при ФГБОУ ВПО «Тульский государственный университет» по адресу: 300012, г. Тула, просп. Ленина, 92, 9-й корп., ауд. 101.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке ФГБОУ ВПО «Тульский государственный университет».

Автореферат разослан «29» декабря 2011 г.

Ученый секретарь диссертационного совета

А.Б. Орлов

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ Актуальность темы исследований.

В современной промышленности на сегодняшний день широкое распространение получила электрохимическая обработка материалов (ЭХО). Она характеризуется рядом преимуществ по сравнению с механической обработкой, таким как отсутствие зависимости от механических свойств обрабатываемого материала, отсутствие силовых и тепловых воздействий на обрабатываемый материал в процессе обработки, минимальное влияние на физико-механические характеристики поверхностного слоя, практическое отсутствие износа электрода-инструмента. Однако ЭХО имеет ряд недостатков, таких как наличие технологических трудностей, связанных с вероятностью коротких замыканий и выходом из строя электрода-инструмента при обработке деталей сложной формы, ограничения электродов-инструментов по максимальной токовой нагрузке, особенно при микрообработке. Исключить указанные недостатки можно при помощи замены твердотельного электрода-инструмента при электрохимической обработке нетвердотельным.

По результатам анализа научно-технической литературы в данной области установлено, что наиболее подходящим является использование в данных целях протяженных плазменных каналов, созданных в результате оптического пробоя среды импульсным лазерным излучением. Ввиду того, что формирование плазменных каналов сопровождается наличием ряда физических явлений (ударная волна, лазерное излучение, высокая температура плазмы сформированного канала), в зоне обработки имеют место различные виды энергетических воздействий. Поэтому обработка с использованием протяженных плазменных каналов представляет собой элекгрофизикохимический процесс с применением плазменных катодов-инструментов.

Таким образом, исследование процесса электрофизикохимической обработки, основанного на использовании плазменных каналов в качестве катодов-инструментов является достаточно актуальной задачей. Цель работы.

Целью работы является совершенствование технологического оснащения электрофизи-кохимических методов обработки за счет использования нетвердотельных электродов-инструментов.

Достижение указанной цели в работе потребовало решения следующих задач:

1. Провести теоретические исследования процесса электрофизикохимической обработки с применением плазменного катода-инструмента с целью получения информации об основных физических процессах, имеющих место в зоне обработки.

2. Разработать технологические схемы электрофизикохимической обработки с применением плазменного катода-инструмента.

3. Разработать возможные способы токоподводов к плазменному катоду-инструменту в процессе электрофизикохимической обработки.

4. Разработать экспериментальное оборудование для осуществления процесса электрофизикохимической обработки с применением плазменного катода-инструмента.

5. Провести экспериментальные исследования электрофизикохимической обработки с применением плазменного катода-инструмента с целью определения диапазонов рациональных технологических режимов и условий обработки для достижения высоких технико-экономических показателей процесса.

Методы исследования.

Теоретические исследования проводились с использованием основных положений электрохимии и математического моделирования. При проведении экспериментальных исследований использовалась разработанная и изготовленная установка ЛЭУ-1, а также со-

временная измерительная и регистрирующая аппаратура (сканирующий зондовый микроскоп Solver PRO Р47Н, профилограф - профилометр Surf Corder 1400а и др.).

Положения, выносимые на защиту:

1. Модель электрофизикохимической обработки с применением плазменного катода инструмента.

2. Технологические схемы электрофизикохимической обработки с применением плазмен ного катода-инструмента.

3. Способы подведения электрической энергии к плазменному катоду-инструменту в уело виях электрофизикохимической обработки.

4. Результаты экспериментальных исследований влияния технологических параметров об работки (напряжение, тип электролита) на погрешность, производительность обработки качество поверхности полученных элементов.

Научная новизна заключается в обосновании возможности электрофизикохимиче ской обработки с применением плазменного катода-инструмента, сформированного по средством оптического пробоя среды импульсным лазерным излучением, и выбора диапа зонов рациональных технологических параметров обработки.

Практическая ценность работы состоит в следующем: • на основе проведенных теоретических и экспериментальных исследований разработань технологические рекомендации для осуществления процесса элекгрофизикохимическо обработки с применением плазменного катода-инструмента; •разработана и изготовлена экспериментальная установка для осуществления процесс электрофизикохимической обработки с применением плазменного катода-инструмента.

Теоретическая значимость работы состоит в том, что на основе математическог моделирования получена информация об основных физических процессах, оказывают влияние на удаление материала во время обработки.

Апробация работы.

Основные положения диссертационной работы докладывались и обсуждались на ре гиональных конференциях «Современная электротехнология в промышленности центр России» (Тула, ТулГУ, 2010), Всероссийской научно-технической конференции «Высокие критические, электро- и нанотехнологии» (Тула, ТулГУ, 2011), на конференциях профес сорско-преподавательского состава ТулГУ (2009-2011), X Всероссийской научно технической конференции и школы молодых ученых, аспирантов и студентов «АКТ-2009 (Воронеж, ВГТУ, 2009), Третьей Всероссийской конференции молодых ученых и специа листов «Будущее машиностроения России» (Москва, МГТУ им. Н.Э. Баумана, 2010).

Публикации.

По результатам исследований опубликовано 9 печатных работ, в том числе 2 работ в издании, входящем в Перечень рецензируемых научных журналов ВАК. Общий объе публикаций 4,3 п.л.

Структура и объем работы.

Диссертационная работа состоит из введения, 4 глав, списка используемых источни ков из 116 наименований, 1 приложения; общий объем - 163 страницы машинописног текста, включая 86 рисунков и 9 таблиц.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обоснована актуальность решаемой задачи, ее практическая значи мость, приведены основные положения, выносимые на защиту.

В первой главе произведен анализ современных методов обработки, основанных н воздействии на обрабатываемый материал концентрированными потоками энергии. Уста

новлено, что существующие методы обработки, такие как электрохимическая, лазерная, а также методы, основанные на комбинированном воздействии, имеют ряд недостатков: наличие вероятности коротких замыканий, ограничения электродов-инструментов по максимальной токовой нагрузке для электрохимической обработки, наличие зон термического влияния, трудности управления процессом в направлении лазерного излучения при лазерной обработке, трудности технологического характера при комбинированной лазерно-электрохимической обработке. Для исключения названных недостатков предложено исследовать электрохимическую обработку нетвердотельными электродами-инструментами.

В результате анализа литературы установлено, что наиболее подходящим способом формирования нетвердотельного электрода-инструмента для электрообработки является способ получения плазменных каналов, основанный на явлении оптического пробоя различных сред импульсным лазерным излучением. Кроме того, при обработке с применением указанных плазменных каналов представляется возможным получить комбинацию энергетических воздействий в зоне обработки (теплового воздействия плазменного канала на обрабатываемый материал, анодного растворения материала заготовки, воздействия ударной волны, сопровождающей процесс формирования плазменного канала), а следовательно реализовать способ элекггрофизикохимической обработки.

Сделан вывод об актуальности исследования электрофизикохимической обработки с применением плазменного катода-инструмента. Обоснована необходимость разработки возможных технологических схем обработки с применением плазменного катода-инструмента, способов подведения электрической энергии к плазменному катоду-инструменту в процессе обработки, создания оборудования для проведения экспериментальных исследований.

Сформулированы цель и задачи исследования.

Во второй главе приведены результаты теоретических исследований физических процессов, происходящих в зоне обработки с применением плазменного катода-инструмента.

Производилось математическое моделирование процессов, оказывающих влияние на удаление материала с обрабатываемой поверхности.

В процессе обработки плазменный катод-инструмент 1 формировался в результате оптического пробоя среды лазерным излучением 6, сфокусированным линзой 5 (рис.1).

I---------0и 0-

Рис. 1. Схема технологической ячейки для обработки с применением плазменного катода-инструмента: 1 - плазменный катод-инструмент; 2 - анод-заготовка; 3 - электролит; 4 - парогазовая оболочка вокруг плазменного катода-инструмента; 5 - фокусирующая линза; 6 - лазерное излучение; 7 - токоподвод; - диаметр плазменного катода-инструмента во времени; Тк(1) - температура плазменного катода-инструмента во времени; Уе - скорость

подачи электролита

Сформированный плазменный катод-инструмент 1 находился рабочей частью в электролите 3. Подведение электрической энергии к плазменному катоду-инструменту 1 осуществлялось путем его касания токоподводом 7 в зоне, находящейся вне электролита 3. При формировании и эволюции плазменного катода-инструмента 1 происходило изменение его диаметра с1к(1) и проводящих свойств, поскольку с течением времени происходило, уменьшение температуры плазмы Тк(1). Ввиду того, что в определенные промежутки времени плазменный катод-инструмент 1 обладал высокой температурой (Тк(0 до 105 К),1 предполагалось, что он окружен парогазовой оболочкой 4, в которой электролит находилс^ в парообразном состоянии.

Электролит в зону обработки подавался в виде свободно стекающей по обрабатывае-| мой поверхности анода-заготовки 2 струи с начальной скоростью Уе.

Моделирование теплопереноса в зоне обработки осуществлялось путем решения сисч темы уравнений, состоящей из нестационарного уравнения теплопроводности и уравнении течения вязкой несжимаемой жидкости в форме Навье-Стокса. Решение системы уравне ний производилось численно методом конечных элементов с использованием нестацио4 нарной подвижной сетки.

Анализ данных моделирования позволяет установить величину нагретой зоны электролита ¿„з, в которой температура электролита Гэ„ выше начальной температуры элек " тролита Т0, и толщину парогазовой оболочки к„г о , в которой температура электролита Т3„ выше температуры его кипения Т^. На рис. 2 представлена зависимость изменения тол щины нагретой зоны электролита и толщины парогазовой оболочки в различные проме жутки времени обработки. По анализу зависимостей (рис. 2) установлено, что наибольше | го значения данные величины достигают в моменты времени / = 0,5...0,7 мкс (¿>„.з = 90...120 мкм, И„го = 60...75 мкм), что связано с наибольшими значениями темпера туры плазменного катода-инструмента Тк = до 9-105 К, которая изменяется во времени, и при ( = 5,0 мкс составляет 450 К. Данное явление совместно со значительной скорости:1 движения условной границы плазменного катода-инструмента (ввиду его расширения вс|

времени) приводит к тому, что в мои мент времени обработки г = 5,0 мк»: толщина парогазовой оболочки ста новится пренебрежимо малой.

По результатам моделирова' ния определена средняя скорость те] чения электролита в МЭП в различ ные промежутки времени. Установ^ лено, что максимального значенщ средняя скорость течения элeктpoJ лита в МЭП (иср= 1,28 м/с) достига^ ет во временном промежутка Г = 8...12 мкс, что в 4 раза большз скорости подачи электролита (V, = 0,32 м/с). 1

Ввиду крайне короткого времени существования плазменного катода-инструмента г сохранения его электропроводности (~10"4 с), динамика электролита и тепловые процессь! во время обработки в моделировании анодного растворения материала заготовки не учи тывались.

Моделирование анодного растворения материала заготовки производилось путеь решения системы уравнений: I

Время обработки г, мкс

Рис. 2. Изменение величины нагретой зоны электролита и толщины парогазовой оболочки в процессе обработки

дг<р _ <7г<рк

дх2 а.

П

дх К к ' дх

дх2 ду2 дг2

= 0

дп

= 0

а/ ]1 ^а*,! ^

I где

дер

' = X

дп

к А-

В результате решения системы уравнений получены зависимости изменения электрического потенциала по длине плазменного катода-инструмента (рис. 3). Анализ указанных зависимостей показывает значительное (от 50 В при / = 1,0 мке, до 120 В при / = 60,0 мке) падение потенциала по длине плазменного катода-инструмента, находящейся вне зоны обработки. Падение электрического потенциала минимально на ранних стадиях (при г < 1,0 мке) формирования плазменного катода-инструмента, что связано с наличием высоких проводящих свойств плазмы в данный промежуток времени.

На рис. 4 представлены линии тока в процессе обработки с применением плазменного катода-инструмента. Анализ кривых (рис. 4) показывает, что наибольшее значение сила тока принимает во временном интервале / = 8,0... 12,0 мке. Это объясняется тем, что в данный промежуток времени технологическая ячейка обладает наименьшим сопротивлением, поскольку плазменный катод-инструмент в указанном временном интервале имеет наибольший диаметр, обработка ведется на минимальном межэлектродном зазоре.

Однако в процессе обработки наблюдается уменьшение амплитудных значений тока в цепи, что объясняется возрастанием сопротивления электролита. По мере формообразования анодной по-

Длинз плазменного катода-инструмента, л

Рис. 3. Изменение электрического потенциала по длине плазменного катода-инструмента во временном интервале Г= 1,0...5,0 мке: 1-1,0 мке; 2 - 2,0 мке; 3 - 3,0 мке; 4 - 4,0 мке; 5 - 5,0 мке

Л. 2 з 4

Врем« обривспм I. мк

Рис. 4. Линии тока в цепи при различных значениях времени обработки: 1 - 2 мин; 2 - ( мин; 3-16 мин; 4 — 20 мин

верхности и подачи плазменного катода-инструмента уменьшается сечение электролита,

через которое протекает ток в процессе обработки, что сказывается на его величине.

В процессе экспериментальных исследований элекгрофизикохимической обработай образцов из нержавеющей стали 12X18Н1 ОТ в 10 %-м растворе ЫаС1 с применением плазменного катода-инструмента измерялась сила тока в цепи. Кривая тока, полученная в процессе обработки, представлена на рис. 5.

Анализируя форму экспериментальной и теоретической кривых тока, можно сделать вывод о схожести их поведения практически во всех временных интервалах. Схожесть формы кривых тока позволяет судить о правильности выбранной расчетной схемы.

На рис. 6 представлен профиль анодной поверхности, полученный в результате моделирования. Полученная в результате моделирования анодная поверхность указывает на неравномерность съема материала по ширине анода-заготовки вследствие падения потенциала по длине плазменного катода-инструмента: по данным рис. 6 полученный элемент имеет различную глубину (от 0,5 до 0,35 мм при толщине анода-заготовки 3,0 мм). Компенсировать различную скорость анодного растворения по ширине анода-заготовки возможно путем реализации токоподводов в нескольких точках по длине плазменного катода-инструмента.

Анализ кривых тока в цепи показывает, что для минимизации электрических потерь целесообразно использование импульсного напряжения с подачей импульса во временном интервале / = 5,0... 15,0 мкс. Это позволяет наиболее рационально использовать электрическую энергию для осуществления процесса анодного растворения, минимизировать потери электрической энергии вследствие падения потенциала по длине плазменного катода-инструмента, получить наиболее равномерное распределение плотности тока по поверхности анода-заготовки и, как следствие, достичь более высокой точности обработки.

Третья глава посвящена проектированию оборудования для проведения экспери- I ментальных исследований процесса электрофизикохимической обработки с применением плазменного катода-инструмента.

Перед проектированием экспериментальной установки разработаны возможные технологические схемы обработки (рис. 7). Схемы систематизированы по расположению плазменного катода-инструмента относительно обрабатываемой поверхности. '

Анализ схем обработки позволяет выявить 2 способа подачи электролита в зону обработки: струйная подача электролита (характерна для обработки с горизонтальным расположением плазменного катода-инструмента), обработка в объеме электролита (характерна для обработки с вертикальным расположением плазменного катода-инструмента).

о 10 го 30 40 50 60 7D 80 90 100 время обработки t, мкс

Рис. 5. Экспериментальная зависимость тока от времени обработки

Рис. 6. Профиль анодной поверхности, полученный в результате моделирования (время обработки Цр = 20 мин)

I

г д еж

Рис. 7. Технологические схемы обработки с нормальным (I) и параллельным (II) расположением плазменного катода-инструмента относительно поверхности анода-заготовки: а, б - получения рельефа поверхности; в - обработки кармана; г - модификации поверхности; д, е - вырезки; ж - точения; 1 - плазменный катод-инструмент; 2 - анод-заготовка; 3 - электролит;

4 - устройство подачи электролита; п - частота вращения образца, Уе - скорость подачи электролита; - подачи плазменного катода-инструмента по осям х, у, г соответственно

Для проведения экспериментальных исследований спроектирована и изготовлена установка ЛЭУ-1 (рис. 8).

Для проведения экспериментальных исследований выбран способ подачи электролита струйным способом при различных видах технологических схем обработки.

Рис. 8. Установка для электрофизикохимической обработки с применением плазменного катода-инструмента ЛЭУ-1 : 1 - излучатель; 2 - источник питания лазера; 3 - пульт управления лазером; 4 - оптическая система; 5 - технологическая ячейка; 6 - координатный стол; 7 - подъемное устройство; 8 - контроллер координатного стола; 9 - управляющий компьютер координатного стола; 10 - устройство для измерения электрических параметров; 11 - источник питания технологической ячейки; 12 - система подачи и хранения электролита 9

Работа установки ЛЭУ-1 (см. рис. 8) осуществляется следующим образом. Излучатель I генерирует излучение с параметрами, достаточными для возникновения оптического пробоя в среде обработки и формирования плазменного катода-инструмента заданных геометрических размеров.

Сфокусированное оптической системой 4 излучение проходит через оптический элемент технологической ячейки 5, внутри которой происходит формирование плазменного катода-инструмента. Регулировка положения технологической ячейки 5 по высоте осуществляется при помощи подъемного устройства 7. Питание технологической ячейки происходит источником питания 11 при подаче напряжения на плазменный катод-инструмент через токоподвод, изготовленный из графита марки МПГ-6. По мере износа токоподвода производится регулировка его контакта с плазменным катодом-инструментом путем вращения регулировочного винта. Анод-заготовка базируется в технологической ячейке 5 с помощью приспособлений относительно плазменного катода-инструмента согласно выбранной технологической схеме обработки. В процессе обработки технологическая ячейка с анодом-заготовкой совершает движения подачи относительно неподвижного плазменного катода-инструмента при помощи координатного стола 6, управляемого с управляющего компьютера 9 через контроллер 8. Величина тока в цепи технологической ячейки в процессе обработки фиксируется с помощью устройства измерения электрических параметров 10, работающего на основе АЦП. Амплитуда импульсов тока снимается с шунта 75-ШС-5.

Подача электролита в зону обработки осуществляется с помощью системы подачи и храненния электролита 12. Подача электролита в электрохимическую ячейку осуществляется при помощи центробежного насоса с производительностью 82 л/ч.

В четвертой главе приведены результаты экспериментальных исследований элек-трофизикохимической обработки с применением плазменного катода-инструмента.

Для проведения экспериментальных исследований разработана комплексная методика.

Согласно разработанной методике проводились исследования электрических параметров процесса электрофизикохимической обработки с применением плазменного катода-инструмента.

Построены вольт-амперные характеристики (ВАХ) процесса при обработке в различных типах электролитов (рис. 9). Из анализа данных ВАХ для обработки в 10 %-м водном растворе NaCl следует линейное увеличение амплитудных значений тока в цепи при повышении напряжения U в диапазонах от 100 до 180 В. При достижении определенного значения подводимого напряжения (U = 180 В) происходит резкое увеличение амплитудных значений тока в цепи, что связано с достижением напряженности электрического поля, достаточной для осуществления электрического пробоя. Таким образом, на данном участке кривой имеют место явления электрического пробоя, происходящего между плазменным катодом-инструментом и анодом-заготовкой, характеризуемого значениями амплитуды тока до /=300...350 А. Наличие

Напряжение и, В

Рис. 9. Вольт-амперные характеристики процесса при начальном межэлектродном зазоре ¿о= 1,0 мм в различных типах электлолитов

эрозионных явлений в процессе обработки определяет механизм технологического воздействия на обрабатываемый материал, который при данных значениях напряжений является комплексным, включающим механизм теплового разрушения под действием электрических разрядов (электроэрозионная составляющая процесса) и механизм анодного растворения материала (электрохимическая составляющая процесса).

Дальнейшее увеличение напряжения U до величин 250...280 В приводит к осуществлению процесса обработки преимущественно в условиях электрического пробоя. На данном участке кривых ВАХ процесса обработки электроэрозионная составляющая преобладает над электрохимической, поэтому основным механизмом удаления материала является тепловой механизм.

В отличие от обработки в 10 %-м водном растворе NaCl, обработка в 10 %-м водном растворе NaN03 характеризуется наличием зоны пассивации при напряжении U = 160 В.

По результатам анализа ВАХ при обработке в 10 %-м водном растворе NaCl можно выделить зоны протекания различных процессов в МЭП (рис. 10).

По данным зависимостям (рис. 10) можно установить, что начало эрозионного процесса смещается в область больших значений напряжений при увеличении начального межэлектродного зазора so. При этом ширина зоны совмещенного электрохимического и электроэрозионного процессов практически не изменяется и составляет около 40 В.

Исходя из вышеописанного, следует рекомендовать для обработки в режиме с преобладанием процесса анодного растворения диапазон напряжений до i/= 180...200 В. Выбор конкретных величин напряжения следует производить исходя из условий обработки, требуемых показателей производительности процесса и требований к получаемым элементам с точки зрения точности, качества поверхности и т.д.

В процессе обработки существует необходимость подведения электрической энергии к плазменному катоду-инструменту, в связи с этим проводились исследования токо-подводов.

По результатам проведенных исследований следует рекомендовать к использованию токоподводы в форме пластин, изготовленных из графита марки МПГ-6, толщиной b = 2,0 мм, при использовании которых наблюдается максимальная вероятность коммутации электрической цепи технологической ячейки.

Согласно разработанной методике проводились экспериментальные исследования электрофизикохимического формообразования с применением плазменного катода-инструмента.

Производительность Q определялась как объем удаленного материала в единицу времени. Результаты исследования производительности обработки от напряжения представлены на рис. 11. Максимальная производительность зафиксирована при обработке в 30 %-м водном растворе NaCl при напряжении 180 В (Q = 11-10"2 мм3/мин), что связано с наибольшим значениями плотности тока в данном случае по сравнению с другими приведенными электролитами.

Начальный межмектродный зазор мм

Рис. 10. Зоны протекания электрохимического и электроэрозионного процесса в МЭЗ: I -зона ЭХО; II - зона совмещенного ЭХО+ЭЭО; III - зона

По полученным результатам, можно определить механизм удаления материала при обработке различных условиях. Долю материа ла, удаленного в результате анодно го растворения материала заготовки можно определить как разность про изводительности при обработке н выбранных режимах и производи тельности при обработке без тока когда удаление материала происхо дит за счет теплового воздейств плазменного катода-инструмента Результаты расчетов доли удаленно го материала в результате анодног растворения приведены на рис. 12.

Наиболее высокое значени объема материала, удаленного в ре зультате анодного растворения (д 60 %), наблюдается при обработке 30 %-м водном растворе NaCl, пр обработке же в 10 %-м водном рас творе NaCl зафиксировано его наи меньшее значение, которое изменя ется от 25 до 29 % при увеличении напряжения со 140 до 180 В.

В результате эксперименталь ных исследований получены зави симости максимальной погрешно сти формообразования от напряж ния Amax=f(U) при обработке электролите на основе NaCl разли ных концентраций (рис. 13).

По результатам анализа зав симостей максимальной п грешности формообразования о напряжения можно сделать выво об увеличении максимальной п грешности формообразования пр увеличении напряжения для все электролитов. Данное явление об ясняется увеличением плотности боковых токов и скорости анодного растворения на бок вых поверхностях анода-заготовки при увеличении напряжения, что приводит к снижен! локализации анодного растворения.

Произведена оценка качества поверхности заготовки после обработки в элеюрол тах различных концентраций. На рис. 14 приведены зависимости шероховатости повер ности Ra обработанных элементов от амплитуды тока в цепи при обработке в электролит различных концентраций.

—1<ЖЫаС1 -•-26% Nad

без тока

1ВД 170 180

Напряжение и« в

Рис. 11. Зависимости производительности обработки от напряжения при обработке в электролитах различных концентраций

0,61

ЗОН NaCl

140 150 160 170 180 Напряжение Ц, В

Рис. 12. Зависимости объема материала, удаленного в результате анодного растворения, от режимов обработки

160

Напряжение и, В

Рис. 13. Зависимости максимальной погрешности формообразования от напряжения при обработке в электролитах различных концентраций

16,5 21,5 26,5

V

3 Амплитуда тока а цепи I, А

Рис. 14. Зависимости шероховатости поверхности На от амплитуды тока в цепи технологической ячейки при обработке в электролитах различных концентраций

По зависимостям изменения шероховатости поверхности установлено, что при повышении концентрации электролита происходит увеличение диапазона значений шероховатости.

Поскольку при обработке в электролитах низкой концентрации (10 %-й водный раствор ЫаС1) доля материала, удаленного в результате анодного растворения, составляет около 25-30 % в общем объеме удаленного материала (согласно данным

рис. 12), предполагается наличие наименьшего влияния электрохимического процесса на результат обработки. Следовательно, шероховатость поверхности по большей части формируется за счет теплового воздействия на обрабатываемый материал.

Представляется возможным повысить технологические показатели обработки за счет использования импульсного напряжения технологической ячейки, синхронизированного с лазерными импульсами по времени действия. Согласно разработанным рекомендациям рациональным электрическим режимом обработки следует считать использование импульсного напряжения с длительностью импульса т„ = 8... 12 мкс. Кроме того, в данном случае будет отсутствовать обработка на увеличивающемся межэлектродном зазоре, характерная для времени / > 12 мкс, в результате чего представляется возможным повысить точность обработки и улучшить качество обработанной поверхности.

Использование плазменного катода-инструмента в электротехнологических методах позволяет проводить процесс обработки с получением искусственных рельефов на поверхности анода-заготовки.

Экспериментальные исследования по определению зависимости глубины элементов искусственных рельефов от времени воздействия проводились с подачей постоянного напряжения и = 180 В, обработка осуществлялась в электролитах на основе №С1 различных концентраций: 10 %, 20 %, 30 %. Зависимости глубины получаемых элементов искусственного рельефа от времени воздействия представлены на рис. 16.

Глубина элементов искусственного рельефа практически линейно возрастает при увеличении времени обработки в электролитах исследуемых концентраций. Однако в случае повышения концентрации электролита при прочих равных возрастает глубина элемента рельефа. Это связано с увеличением объема материала, удаленного в результате анодного растворения при повышении концентрации электролита.

Исследовалась микротвердость поверхности элементов искусственного рельефа, полученного в результате обработки в 30 %-м водном растворе ЫаС1 (рис. 16).

-30% N00

0,5 1

Вретя обработки (, мин

Рис.15. Зависимости глубины элементов искусственного рельефа от времени обработки

—Микрогвердость поверхности элементов рельефз

-Микротвеодость

Исходной позйрхиектй

6,5 7,5 8,5 9,5 10,5 11,5 12,5 Амплитуда тока в цепи I, А

Рис. 16. Зависимости микротвердости поверхности элементов искусственного рельефа от амплитуды тока в цепи после обработки в 30%-м водном растворе NaCl

Анализ зависимостей микротвердости обрабатываемой поверхности от амплитуды тока в цепи показывает существенное увеличение микротвердости обработанной поверхности по сравнению с необработанной (от 1,7 до 2,7 раз) в исследуемых диапазонах изменения амплитудных значений тока.

Предполагается, что механизм увеличения микротвердости обработанной по-

верхности основан на ее упрочнении за счет наклепа вследствие воздействия ударной волны, сопровождающей формирование плазменного катода-инструмента, и процессах лазерного упрочнения за счет быстрого локального нагрева и охлаждения обрабатываемой поверхности. Процесс анодного растворения, напротив, не вносит изменений в поверхностный слой и приводит к его удалению. Таким образом, на убывающем участке кривой микротвердости по мере увеличения амплитудных значений тока в цепи происходит более существенное проявление удаления измененного слоя материала за счет анодного растворения. Наличие возрастающего участка кривой микротвердосги объясняется возникновением эрозионных явлений в межэлекгродном промежутке при достижении определенных значений подаваемого напряжения. Поэтому при увеличении значений амплитуды тока в цепи происходит проявление процесса эрозионного упрочнения и снижение влияния процесса анодного растворения, что приводит к возрастанию микротвердости обрабатываемой поверхности.

На рис. 17. приведены фотографии различных типов искусственных рельефов на поверхностях пластин из стали 12Х18Н10Т и профилограммы элементов искусственных рельефов.

—— .... ..

^щщшIIS

i

Рис. 17. Различные типы полученных искусственных рельефов и профилограммы элементов рельефов: а - искусственный рельеф в виде линий с шагом 3 мм; б - искусственный рельеф в виде

точек с шагом 2 мм

Полученные результаты исследований позволяют проводить процесс обработки искусственных рельефов на поверхностях различного функционального назначения.

ОБЩИЕ ВЫВОДЫ

1. По результатам анализа научно-технической литературы установлено, что существуют перспективы разработки элекгрофизикохимического способа обработки материалов с применением нетвердотельного электрода-инструмента. Выявлено, что наиболее подходящим способом создания нетвердотельного электрода-инструмента для электрофи-

зикохимической обработки является способ получения плазменных катодов-инструментов, основанный на явлении оптического пробоя различных сред импульсным лазерным излучением. Установлено, что ввиду отсутствия в научно-технической литературе данных о технологическом применении импульсных плазменных каналов, исследование электрофизикохимической обработки с применением плазменного катода-инструмента является весьма актуальной на сегодняшний день.

2. На основе проведенного моделирования физических процессов в зоне обработки с применением плазменного катода-инструмента установлено, что в определенных временных интервалах плазменный катод-инструмент оказывается окруженным парогазовой оболочкой величиной до 75 мкм, обладающей электрическим сопротивлением, превышающим сопротивление электролита.

3. По результатам моделирования процесса анодного растворения с применением плазменного катода-инструмента установлено, что в процессе обработки происходит значительное падение потенциала по длине плазменного катода-инструмента, что отражается на распределении плотности тока по поверхности анода-заготовки и геометрии поверхности, полученной в результате обработки. Предложены меры по выбору рациональных параметров обработки, согласно которым предложено подводить электрическую энергию в разных точках по длине плазменного катода-инструмента. Для минимизации электрических потерь целесообразно использование импульсного напряжения с подачей импульса во временном интервале t = 5,0... 15,0 мкс, что позволяет наиболее рационально использовать электрическую энергию для осуществления процесса анодного растворения, получить наиболее равномерное распределение плотности тока по поверхности анода-заготовки и, как следствие, достичь более высокой точности обработки и производительности процесса.

4. Разработаны основные технологические схемы обработки с применением плазменного катода-инструмента. Предложены различные способы подачи электролита в зону обработки, по результатам анализа которых выбран способ струйной подачи электролита по краю анода-заготовки как наиболее простой с точки зрения его технической реализации.

5. Разработана и создана экспериментальная установка ЛЭУ-1 для проведения исследований процесса электрофизикохимической обработки с применением плазменного катода-инструмента.

6. Проведены экспериментальные исследования электрических параметров процесса обработки в различных типах электролитов. Установлено, что для обработки с преобладанием процесса анодного растворения, целесообразно выбирать значения напряжения: для обработки в электролите 10 %-м водном растворе NaCl - 100... 180 В, для обработки в электролите 10 %-м водном растворе NaN03 - 100. ..270 В.

7. Произведено исследование процесса формообразования с применением плазменного катода-инструмента. Оценены производительность процесса, максимальная погрешность формообразования, шероховатость поверхности при обработке в электролитах на основе NaCl различных концентраций. Установлено, что максимальная производительность и погрешность формообразования достигается при обработке в 30 %-м водном растворе NaCl при напряжении U = 180 В.

8. Даны рекомендации по выбору электрических параметров с целью улучшения технологических показателей обработки. Согласно разработанным рекомендациям обработку следует производить с использованием импульсного напряжения при синхронизации с лазером, используя длительности импульсов напряжения до 8... 12 мкс.

Основное содержание работы отражено в следующих публикациях:

1. Грачев O.E. Моделирование процесса электрохимической обработки с применением импульсного нетвердотельного катода // Известия Тульского государственного университета. Естественные науки. - Тула: Изд-во ТулГУ, 2011. - Вып. 3. -С. 160-169.

2. Любимов В.В., Грачев O.E. Электрофизикохимическая обработка стали 12х18н10т с применением нетвердотельного катода II Известия Тульского государственного университета. Технические науки. - Тула: Изд-во ТулГУ, 2011. -Вып. 3. - С. 483- 491.

3. Любимов В.В., Грачев O.E., Козырь Д.В. Исследование процесса электрофизикохими-ческой обработки с применением импульсного плазменного катода // Высокие, критические электро- и нанотехнологии: труды Всероссийской научно-технической конференции. - Тула: Изд-во ТулГУ, 2011. - С. 27- 36.

4. Любимов В.В., Грачев O.E., Степанов П.В. Исследование токоподводов к плазменному катоду для осуществления процесса электрофизикохимической обработки // Высокие, критические электро- и нанотехнологии: труды Всероссийской научно-технической конференции. - Тула: Изд-во ТулГУ, 2011. - С. 41 - 49.

5. Любимов В.В., Грачев O.E., Сабинин Е.А. Анализ плазменных каналов как инструментов при импульсном лазерном излучении наносекундной длительности // Современная электротехнология в промышленности центра России: труды XI региональной научно-технической конференции. - Тула: Изд-во ТулГУ, 2010. - С. 53 - 64.

6. Любимов В.В., Грачев O.E. Теоретические исследования электрохимической обработки тонких металлических пленок с полупроводниковым слоем // Высокие, критические электро- и нанотехнологии: труды Всероссийской научно-технической конференции. -Тула: Изд-во ТулГУ, 2011. - С. 138 - 143.

7. Любимов В.В., Грачев O.E. Исследование геометрических свойств поверхности элементов солнечных батарей после утонения // Современная электротехнология в промышленности центра России: труды XI региональной научно-технической конференции. - Тула: Изд-во ТулГУ, 2010. - С. 90 - 94.

8. Грачев O.E. Электрохимическая обработка тонких пленок нержавеющих материалов [Электронный ресурс] // Сборник трудов Третьей Всероссийской конференции молодых ученых и специалистов «Будущее машиностроения России», 22 - 25 сентября 2010г. - Электрон, дан. - Москва, МГТУ им. Н.Э.Баумана.- Режим доступа: hltp://mt2.bmstu.rii/BMR2010/a3/8.pdf. свободный.

9. Способ утонения металлических подложек панелей солнечных батарей / O.E. Грачев [и др.]// Сборник Трудов X Всероссийской научно-технической конференции и школы молодых ученых, аспирантов и студентов «АКТ-2009». - Воронеж: ВГТУ, 2009. -С. 11-16.

Изд. лиц. ЛР № 020300 от 12.02.97. Подписано в печать 23.12.2011 г. Формат бумаги 60x84 '/,6. Бумага офсетная. Усл.-печ. л. 1,0. Уч.-изд. л. 1,0. Тираж 100 экз. Заказ 025 Тульский государственный университет 300600, г. Тула, пр. Ленина, 92 300012, г. Тула, просп. Ленина, 92. Отпечатано в Издательстве ТулГУ 300600, г. Тула, пр. Ленина, 95. 16

61 12-5/1618

ФГБОУ ВПО «ТУЛЬСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ»

на правах рукописи

ГРАЧЕВ Олег Евгеньевич

ЭЛЕКТРОФИЗИКОХИМИЧЕСКАЯ ОБРАБОТКА С ПРИМЕНЕНИЕМ ПЛАЗМЕННОГО КАТОДА-ИНСТРУМЕНТА

Специальность 05.02.07 - Технология и оборудование механической и физико-технической обработки

Диссертация

на соискание ученой степени кандидата технических наук

Научный руководитель:

д.т.н., профессор В.В. Любимов

Тула 2011

СОДЕРЖАНИЕ

ВВЕДЕНИЕ............................................................................ 4

ГЛАВА I. АНАЛИЗ СОСТОЯНИЯ ВОПРОСА. ЦЕЛЬ И ЗАДАЧИ ИССЛЕДОВАНИЯ.................................................................... Ю

1.1. Аналитический обзор методов обработки материалов, связанных

с воздействием концентрированными потоками энергии.................... 11

1.1.1 .Электрохимическая обработка.......................................... 13

1.1.2. Лазерная обработка....................................................... 15

1.1.3. Комбинированные методы обработки................................ 18

1.2. Общая характеристика способов создания нетвердотельных проводников электрического тока применительно к использованию в качестве катодов-инструментов при электрохимической обработке...... 22

1.2.1 .Плазма дугового разряда................................................. 24

1.2.2. Сжатая электрическая дуга............................................. 25

1.2.3. Плазма СВЧ-разряда..................................................... 25

1.2.4. Плазма, полученная вследствие оптического пробоя среды импульсным лазерным излучением............................................... 26

1.3. ВЫВОДЫ ПО ГЛАВЕ I. ЦЕЛЬ И ЗАДАЧИ ИССЛЕДОВАНИЯ... 35 ГЛАВА И. ТЕОРЕТИЧЕСКИЕ ИССЛЕДОВАНИЯ ПРОЦЕССА ЭЛЕКТРОФИЗИКОХИМИЧЕСКОЙ ОБРАБОТКИ С ПРИМЕНЕНИЕМ ПЛАЗМЕННОГО КАТОДА-ИНСТРУМЕНТА......... 37

2.1. Моделирование теплопереноса в электролите с учетом его течения в межэлектродном промежутке в процессе электрофизикохимической обработки с применением плазменного катода-инструмента.................................................................. 40

2.2. Моделирование процесса анодного растворения материала заготовки при электрофизикохимической обработке с применением плазменного катода-инструмента................................................. 56

2.3. ВЫВОДЫ ПО ГЛАВЕ II..................................................... 72

ГЛАВА III. РАЗРАБОТКА ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНОГО ОБОРУДОВАНИЯ ДЛЯ ОСУЩЕСТВЛЕНИЯ ПРОЦЕССА ЭЛЕКТРОФИЗИКОХИМИЧЕСКОЙ ОБРАБОТКИ С ПРИМЕНЕНИЕМ ПЛАЗМЕННОГО КАТОДА-ИНСТРУМЕНТА......... 74

3.1. Анализ и обоснование выбора возможных технологических схем обработки с применением плазменного катода-инструмента............... 74

3.2. Разработка и создание экспериментального оборудования.......... 79

3.2.1. Компоненты установки, серийно выпускаемые

промышленностью................................................................... 80

3.2.1.1. Лазерная установка с оптической системой.................... 80

3.2.1.2. Система позиционирования анода-заготовки................... 82

3.2.1.3. Источник питания технологической ячейки..................... 84

3.2.1.4. Измерительное устройство............................................ 84

3.2.1.5. Система подачи и хранения электролита........................ 85

3.2.2. Разработка и создание оригинальных компонентов и систем экспериментальной установки...................................................... 86

3.2.2.1. Разработка и создание токоподеодов к плазменному катоду-инструменту........................................................................ 86

3.2.2.2. Технологическая ячейка..................... .............................. 98

3.2.3. Создание экспериментальной установки ЛЭУ-1................... 101

3.2.4 Алгоритм подготовки установки ЛЭУ-1 к работе.................. 106

3.3. ВЫВОДЫ ПО ГЛАВЕ III.................................................... 107

ГЛАВА IV. ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫЕ ИССЛЕДОВАНИЯ ПРОЦЕССА ЭЛЕКТРОФИЗИКОХИМИЧЕСКОЙ ОБРАБОТКИ С ПРИМЕНЕНИЕМ ПЛАЗМЕННОГО КАТОДА-ИНСТРУМЕНТА......... 109

4.1. Комплексная методика проведения экспериментальных исследований процесса электрофизикохимической обработки с применением плазменного катода-инструмента............................... 109

4.1.1. Методика исследования электрических параметров процесса обработки............................................................................... НО

4.1.2. Методика исследования токоподводов к плазменному катоду-инструменту в процессе обработки............................................... 112

4.1.3. Методика исследования электрофизикохимического формообразования с применением плазменного катода-инструмента.... 113

4.1.4. Методика исследования получения искусственных рельефов

на поверхностях анода-заготовки................................................. 114

4.2. Исследование электрических параметров электрофизикохимической обработки с применением плазменного катода-инструмента.................................................................. 115

4.3. Исследование токоподводов к плазменному катоду-инструменту

в процессе обработки................................................................. 123

4.4. Исследование электрофизикохимического формообразования с применением плазменного катода-инструмента............................... 129

4.5. Исследование получения искусственных рельефов с применением плазменного катода-инструмента............................... 138

4.6. ВЫВОДЫ ПО ГЛАВЕ IV.................................................... 144

ОБЩИЕ ВЫВОДЫ................................................................... 146

БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК............................................. 149

ПРИЛОЖЕНИЕ........................................................................ 160

ВВЕДЕНИЕ

В подавляющем большинстве случаев обработка деталей в современной промышленности осуществляется с помощью механической обработки. На точность механической обработки влияет ряд факторов, обусловленных наличием определенных физических явлений при воздействии инструмента на обрабатываемый материал: износ формообразующих инструментов, упругие перемещения элементов станков, приспособлений и инструментов вследствие возникновения силовых явлений, деформация обрабатываемых заготовок, тепловые явления, происходящие в технологической системе и в смазочно-охлаждающей жидкости. Кроме того, для достижения заданной точности и качества поверхности при реализации способа механической обработки зачастую обработку производят за несколько технологических переходов.

Снять ограничения, присущие механическим методам обработки, представляется возможным путем использования методов, основанных на воздействии концентрированными потоками энергии на обрабатываемый материал.

Общими характерными свойствами методов, основанных на воздействии концентрированными потоками энергии, обеспечивающими им преимущества по сравнению с механической обработкой, являются [91]:

1) Практическая независимость от твердости и вязкости обрабатываемого материала;

2) Обработка практически без силового воздействия на обрабатываемое изделие;

3) Простота автоматизации процесса обработки, возможность

многостаночного обслуживания.

Таким образом, использование концентрированных потоков энергии в технологических процессах изготовления деталей позволяет существенно

расширить технологические возможности и повысить эффективность обработки материалов [81].

Электрохимическая обработка (ЭХО) является одним из методов обработки концентрированными потоками энергии, основанном на процессе удаления материала за счет анодного растворения заготовки при протекании электрического тока в растворах электролитов.

Однако электрохимическая обработка на сегодняшний день имеет ряд существенных недостатков:

1. Ограничения электродов-инструментов по максимальной токовой нагрузке, которые особенно существенно проявляются при микрообработке.

2.Наличие технологических трудностей, связанных с вероятностью коротких замыканий и выходом из строя электродов-инструментов при обработке деталей сложной формы.

Исключить указанные недостатки электрохимической обработки можно с помощью разработки способа электрохимической обработки, при котором в качестве катода-инструмента используется нетвердотельный проводник.

По результатам анализа научно-технической литературы наиболее подходящим является использование в данных целях протяженных плазменных каналов, созданных в результате оптического пробоя среды импульсным лазерным излучением.

Исследование процесса электрохимической обработки, основанного на

использовании протяженных плазменных каналов в качестве катодов-

инструментов является достаточно актуальной задачей, поскольку

обработка с применением плазменных электродов-инструментов имеет ряд

преимуществ по сравнению с обработкой твердотельными инструментами,

таких как возможность реализации комбинированного электрохимического

процесса за счет наличия явлений, сопровождающих формирование

плазменного катода-инструмента, исключение вероятности коротких

замыканий в процессе обработки, снятие ограничения по предельной токовой

нагрузке, что особенно актуально при микрообработке. Кроме того обработка

5

с применением плазменных электродов-инструментов является саморегулирующимся импульсным процессом, автоматически прекращающемся при прекращении подачи лазерных импульсов и формирования плазменного электрода-инструмента.

Целью работы является совершенствование технологического оснащения электрофизикохимических методов обработки за счет использования нетвердотельных электродов-инструментов.

Достижение указанной цели в работе потребовало решения следующих

задач:

1. Провести теоретические исследования процесса электрофизикохимической обработки с применением плазменного катода-инструмента с целью получения информации об основных физических процессах, имеющих

место в зоне обработки.

2. Разработать технологические схемы электрофизикохимической обработки с применением плазменного катода-инструмента.

3. Разработать возможные способы токоподводов к плазменному катоду-инструменту в процессе электрофизикохимической обработки.

4. Разработать экспериментальное оборудование для осуществления процесса электрофизикохимической обработки с применением плазменного катода-инструмента.

5. Провести экспериментальные исследования электрофизикохимической обработки с применением плазменного катода-инструмента с целью определения диапазонов рациональных технологических режимов и условий обработки для достижения высоких технико-экономических показателей процесса.

Методы исследования.

Теоретические исследования проводились с использованием основных положений электрохимии и математического моделирования. При проведении экспериментальных исследований использовалась разработанная и изготовленная установка ЛЭУ-1, а также современная измерительная и

регистрирующая аппаратура (сканирующий зондовый микроскоп Solver PRO Р47Н, профилограф - профилометр Surf Corder 1400а и др.). Положения, выносимые на защиту:

1. Модель электрофизикохимической обработки с применением плазменного

катода-инструмента.

2. Технологические схемы электрофизикохимической обработки с применением плазменного катода-инструмента.

3. Способы подведения электрической энергии к плазменному катоду-инструменту в условиях электрофизикохимической обработки.

4. Результаты экспериментальных исследований влияния технологических параметров обработки (напряжение, тип электролита) на погрешность, производительность обработки и качество поверхности полученных элементов.

Научная новизна заключается в обосновании возможности электрофизикохимической обработки с применением плазменного катода-инструмента, сформированного посредством оптического пробоя среды импульсным лазерным излучением, и выбора диапазонов рациональных технологических параметров обработки.

Практическая ценность работы состоит в следующем: •на основе проведенных теоретических и экспериментальных исследований разработаны технологические рекомендации для осуществления процесса электрофизикохимической обработки с применением плазменного катода-инструмента;

•разработана и изготовлена экспериментальная установка для осуществления процесса электрофизикохимической обработки с применением плазменного катода-инструмента.

Теоретическая значимость работы состоит в том, что на основе математического моделирования получена информация об основных физических процессах, оказывающих влияние на удаление материала во время обработки.

Апробация работы.

Основные положения диссертационной работы докладывались и обсуждались на региональных конференциях «Современная электротехнология в промышленности центра России» (Тула, ТулГУ, 2010), Всероссийской научно-технической конференции «Высокие, критические, электро- и нанотехнологии» (Тула, ТулГУ, 2011), на конференциях профессорско-преподавательского состава ТулГУ (2009-2011), X Всероссийской научно-технической конференции и школы молодых ученых, аспирантов и студентов «АКТ-2009» (Воронеж, ВГТУ, 2009), Третьей Всероссийской конференции молодых ученых и специалистов «Будущее машиностроения России» (Москва, МГТУ им. Н.Э. Баумана, 2010).

Публикации.

По результатам исследований опубликовано 9 печатных работ, в том числе 2 работы в издании, входящем в Перечень рецензируемых научных журналов ВАК. Общий объем публикаций 4,3 п.л.

Структура и объем работы.

Диссертационная работа состоит из введения, 4 глав, списка используемых источников из 116 наименований, 1 приложения; общий объем -163 страницы машинописного текста, включая 86 рисунков и 9 таблиц.

Работа состоит из следующих основных частей:

1. Анализа состояния вопроса;

2. Теоретических исследований электрофизикохимической обработки с применением плазменного катода-инструмента;

3. Разработки экспериментального оборудования для осуществления процесса электрофизикохимической обработки с применением плазменного катода-инструмента;

4. Экспериментальных исследований электрофизикохимической обработки с применением плазменного катода-инструмента.

Работа выполнена на кафедре «Физико-химических процессов и

технологий» и лаборатории «Электрофизических и электрохимических

8

методов обработки» им. Ф.В. Седыкина Тульского государственного университета.

Автор выражает огромную благодарность научному руководителю д.т.н., профессору В.В. Любимову, д.т.н., профессору В.К. Сундукову, д.т.н., профессору В.М. Волгину, а также всем сотрудникам кафедры и лаборатории за помощь, поддержку и полезные замечания при выполнении работы.

ГЛАВА I. АНАЛИЗ СОСТОЯНИЯ ВОПРОСА. ЦЕЛЬ И ЗАДАЧИ

ИССЛЕДОВАНИЯ

В настоящее время в промышленности к деталям машин и механизмов предъявляются все большие требования по качеству функциональных поверхностей, долговечности, точности. Данные требования обуславливают появление новых, более производительных и совершенных методов обработки материалов.

В подавляющем большинстве случаев обработка деталей в современной промышленности осуществляется с помощью механической обработки. На точность механической обработки влияет ряд факторов, обусловленных наличием определенных физических явлений при воздействии инструмента на обрабатываемый материал: износ формообразующих инструментов, упругие перемещения элементов станков, приспособлений и инструментов вследствие возникновения силовых явлений, деформация обрабатываемых заготовок, тепловые явления, происходящие в технологической системе и в смазочно-охлаждающей жидкости. Кроме того, для достижения заданной точности и качества поверхности при механической обработке зачастую в технологическом процессе требуется наличие нескольких технологических переходов.

Одним из наиболее распространенных видов механической обработки, связанным с удалением материала, является обработка резанием. Обработка материалов резанием является видом механической обработки с удалением материала, связанным с силовыми воздействиями инструмента на обрабатываемый материал. Обрабатываемость металлов резанием зависит от химического состава, структуры обрабатываемого металла, его механических свойств, способности к наклепу, физических свойств (теплоемкости, теплопроводности) [41]. Необходимым условием осуществления процесса обработки резанием является использование инструмента, имеющего большую твердость, чем обрабатываемый материал, что в ряде случаев является не-

10

возможным, особенно при обработке твердых сплавов и материалов с высокими механическими свойствами. Другими проблемами, присущими обработке резанием, являются проблемы обработки нежестких деталей с заданной точностью и технологические трудности при микрообработке.

Наряду с обработкой деталей резанием существует ряд методов обработки, основанных на воздействии концентрированных потоков энергии (КПЭ) на обрабатываемый материал, к которым можно отнести такие методы как электрохимическая обработка, лазерная обработка, плазменная обработка И т.д. ___

1.1. Аналитический обзор методов обработки материалов, связанных с воздействием концентрированными потоками энергии

Развитие специального и химического машиностроения, инструментальной, приборостроительной, электронной, электротехнической промышленности и других отраслей народного хозяйства вызвало значительный рост применения жаропрочных, магнитных, нержавеющих, ан�