Современные методы упрочняющей поверхностной обработки

Ультразвуковая обработка твёрдых веществ используется в основном для сварки металлов, пластмасс и синтетических тканей, при резании металлов, стекла, керамики, алмаза и т.п. (например, сверлении, точении, гравировании), а также при обработке металлов давлением (волочении, штамповке, прессовании и др.).

Резание на ультразвуковых станках обеспечивает высокую точность, позволяет получать не только прямые круглые отверстия, но и вырезы сложных сечений, криволинейные каналы. Ультразвук, подведённый к инструменту обычного металлорежущего станка (например, сверлу, резцу), интенсифицирует обработку и улучшает дробление. При обработке металлов давлением ультразвуковые колебания улучшают условия деформирования и снижают необходимые усилия. При ультразвуковом поверхностном упрочнении повышаются микротвёрдость и износостойкость, снижается шероховатость поверхности. Во всех этих процессах ультразвук обычно подводят с помощью волноводного концентратора к рабочим органам машин (например, к сверлу, валкам прокатного стана, штампу пресса, фильере).  

Ультразвуковая обработка в жидкостях (жидкостей) основана главным образом на возникновении кавитации . Некоторые эффекты кавитации (гидравлические удары при захлопывании пузырьков и микропотоки, возникающие в жидкости около пузырьков) используются при пайке и лужении, диспергировании, очистке деталей и т.д. Другие эффекты (разогрев паров внутри пузырька и их ионизация) используются для инициирования и ускорения химических реакций. Иногда для интенсификации ультразвуковой обработки процесс ведут при повышенном давлении. 

При пайке и лужении  металлов, например алюминия, титана, молибдена, ультразвук разрушает окисные плёнки на поверхности деталей и облегчает  течение процесса. С использованием ультразвука можно лудить, а затем  паять керамику, стекло и др. неметаллические  материалы. Ультразвук подводят волноводным  концентратором к припою, помещенному  в ванну или нанесённому на поверхность детали.  

Очистка ультразвуком поверхностей деталей от металлической пыли, стружки, нагаров, жировых и др. загрязнений  обеспечивает более высокое, чем  др. способы, качество — остаётся не более 0,5% загрязнений. Некоторые детали, имеющие сложную форму и труднодоступные места, можно очистить только при У. о. Очистку обычно осуществляют в ваннах со встроенными электроакустическими излучателями; в рабочую жидкость добавляют поверхностно-активные вещества. Для снятия заусенцев с деталей в жидкость вводят абразивные частицы, которые в несколько раз ускоряют обработку. 

Дегазацию (освобождение от газов) жидкостей осуществляют при  малой (обычно ниже порога кавитации) интенсивности  ультразвука. Мелкие газовые пузырьки, взвешенные в жидкости, сближаются друг с другом, слипаются и всплывают на поверхность. Дегазации подвергают расплавы оптических стекол, жидкие алюминиевые сплавы  и др. жидкости. У. о. используют при обогащении (флотации) руд — газовые пузырьки оседают на поверхностях частичек минералов и всплывают вместе с ними.

Ультразвуковая обработка оказывает благоприятное влияние на процесс кристаллизации расплавов металлов при литье, что существенно улучшает структуру слитка и его механические свойства.

Для образования эмульсий обычно используют ультразвуковые аппараты в виде свистков или сирен. Приготовление  суспензий в основном ведут в  аппаратах с магнитострикционными преобразователями, работающими при повышенном давлении.

Образование аэрозолей происходит при ультразвуковой обработке жидкости в тонком слое с помощью волноводного концентратора, который представляет собой распылительную насадку.

При ультразвуковой обработке хорошо деполимеризуются в растворах высокомолекулярные соединения. Это свойство используется, например, при синтезе различных блок- и привитых сополимеров, для получения из природных полимеров ценных низкомолекулярных веществ.

Ультразвуковая обработка ускоряет многие массообменные процессы (растворение, экстрагирование, пропитку пористых тел и т.п.), ход которых ограничивается скоростью диффузии. Действие высоких температур внутри кавитационных пузырьков, уменьшение толщины пограничного слоя и его турбулизация интенсифицируют также протекающие совместно химические и массообменные процессы (например, хемосорбцию).

Ультразвуковая обработка в газах (газов) вызывает коагуляцию аэрозолей и пыли (укрупнение и осаждение взвешенных в газах мелких частиц) и применяется, например, в акустическом пылеуловителе.  

При возбуждении ультразвука  в нагретом газе (сушильном агенте) интенсифицируется сушка пористых тел — ускоряется испарение со свободной поверхности жидкости, в капиллярах возникают акустические течения и т.п. Ультразвуковая сушка  обычно применяется совместно с  др. видами сушки, например инфракрасной, высокочастотной; в качестве источников ультразвука используют сирены.

Ультразвуковая обработка — один из наиболее обширных разделов электрофизических и электрохимических методов обработки. Дальнейшее её развитие в основном связано с увеличением мощностей и рабочих объёмов ультразвуковых аппаратов, а также с детальным изучением физических и физико-химических процессов, протекающих в ультразвуковом поле. Расширяется область практического использования ультразвуковой обработки, например в пищевой промышленности для осветления вин и ликёров; в фармацевтической— для стерилизации и приготовления различных препаратов и т.д.

 

 

4.  Лучевая обработка

 

Лучевая обработка. К лучевым методам обработки относится обработка материалов электронным пучком и световыми лучами). Электроннолучевая обработка осуществляется потоком электронов высоких энергий (до 100 кэв). Таким путём можно обрабатывать все известные материалы (современная электронная оптика позволяет концентрировать электронный пучок на весьма малой площади, создавать в зоне обработки огромные плотности мощности). Электроннолучевые станки могут выполнять резание (в т. ч. прошивание отверстий) и сварку с большой точностью (до 50 Å). Основой электроннолучевого станка является электронная пушка. Станки имеют также устройства контроля режима обработки, перемещения заготовки, вакуумное оборудование. Из-за относительно высокой стоимости, малой производительности, технической сложности станки используются в основном для выполнения прецизионных работ в микроэлектронике, изготовления фильер с отверстиями малых (до 5 мкм) диаметров, работ с особо чистыми материалами.

К электрофизическим методам  обработки относится также плазменная обработка.

 

5. Плазменная обработка

 

Плазменная обработка -  обработка материалов низкотемпературной плазмой, генерируемой дуговыми или высокочастотными плазматронами. При плазменной обработке изменяется форма, размеры, структура обрабатываемого материала или состояние его поверхности. Плазменная обработка включает: разделительную и поверхностную резку, нанесение покрытий, наплавку, сварку, разрушение горных пород (плазменное бурение).

Плазменная обработка  получила широкое распространение вследствие высокой по промышленным стандартам температуры плазмы (Плазменная обработка 10⁴ К), большого диапазона регулирования мощности и возможности сосредоточения потока плазмы на обрабатываемом изделии; при этом эффекты. Плазменная обработка достигаются как тепловым, так и механическим действием плазмы (бомбардировкой изделия частицами плазмы, движущимися с очень высокой скоростью — так называемый скоростной напор плазменного потока). Удельная мощность, передаваемая поверхности материала плазменной дугой, достигает 10⁵—10⁶ вт/см², в случае плазменной струи она составляет 10³—10⁴ вт/см². В то же время тепловой поток, если это необходимо, может быть рассредоточен, обеспечивая «мягкий» равномерный нагрев поверхности, что используется при наплавке и нанесении покрытий. 

Резка металлов осуществляется сжатой плазменной дугой, которая горит  между анодом (разрезаемым металлом) и катодом плазменной горелки. Стабилизация и сжатие токового канала дуги, повышающее её температуру, осуществляются соплом горелки и обдуванием дуги потоком плазмообразующего газа (Ar, N₂, H₂, NH₄ и их смеси). Для интенсификации резки металлов используется химически активная плазма. Например, при резке воздушной плазмой O₂, окисляя металл, даёт дополнительный энергетический вклад в процесс резки. Плазменной дугой режут нержавеющие и хромоникелевые стали, Cu, Al и др. металлы и сплавы, не поддающиеся кислородной резке. Высокая производительность плазменной резки позволяет применять её в поточных непрерывных производственных процессах. Мощность установок достигает 150 квт. Неэлектропроводные материалы (бетоны, гранит, тонколистовые органические материалы) обрабатывают плазменной струей (дуга горит в сопле плазменной горелки между её электродами). Нанесение покрытий (напыление) производится для защиты деталей, работающих при высоких температурах, в агрессивных средах или подверженных интенсивному механическому воздействию. Материал покрытия (тугоплавкие металлы, окислы, карбиды, силициды, бориды и др.) вводят в виде порошка или проволоки в плазменную струю, в которой он плавится, распыляется, приобретает скорость. Плазменная обработка 100—200 м/сек и в виде мелких частиц (20—100 мкм) наносится на поверхность изделия. Плазменные покрытия отличаются пониженной теплопроводностью и хорошо противостоят термическим ударам. Мощность установок для напыления 5—30 квт, максимальная производительность 5—10 кг напыленного материала в час. Для получения порошков со сферической формой частиц, применяемых в порошковой металлургии, в плазменную струю вводят материал, частицы которого, расплавляясь, приобретают под действием сил поверхностного натяжения сферическую форму. Размер частиц может регулироваться в пределах от нескольких мкм до 1 мм. Более мелкие (ультрадисперсные) порошки с размерами частиц 10 нм и выше получают испарением исходного материала в плазме и последующей его конденсацией.        

 Свойство плазменной  дуги глубоко проникать в металл  используется для сварки металлов. Благоприятная форма образовавшейся  ванны позволяет сваривать достаточно  толстый металл (10— 15 мм) без специальной разделки кромок. Сварка плазменной дугой отличается высокой производительностью и, вследствие большой стабильности горения дуги, хорошим качеством. Маломощная плазменная дуга на токах 0,1—40 а удобна для сварки тонких листов (0,05 мм) при изготовлении мембран, сильфонов, теплообменников из Ta, Ti, Mo, W, Al.

 

Раздел 2. Электрохимические методы обработки

 

Электрохимические методы основаны на законах электрохимии. По используемым принципам эти методы разделяют на анодные и катодные, по технологическим возможностям — на поверхностные и размерные.         

 

2.1 Поверхностная электрохимическая обработка.

 

Практическое использование  электрохимических методов началось с 30-х гг. 19 в. (гальваностегия и гальванопластика). Первый патент на электролитическое полирование был выдан в 1910 Е. И. Шпитальскому. Суть метода состоит в том, что под действием электрического тока в электролите происходит растворение материала анода (анодное растворение), причём быстрее всего растворяются выступающие части поверхности, что приводит к её выравниванию. При этом материал снимается со всей поверхности, в отличие от механического полирования, где снимаются только наиболее выступающие части. Электролитическое полирование позволяет получить поверхности весьма малой шероховатости. Важное отличие от механического полирования — отсутствие каких-либо изменений в структуре обрабатываемого материала.

 

 

2.2. Размерная электрохимическая обработка.

 К этим методам обработки  относят анодно-гидравлическую и  анодно-механическую обработку.

Анодно-механическая обработка - способ обработки металлов комбинированным электрохимическим и электроэрозионным воздействием электрического тока на изделие в среде электролита. Разработан в СССР в 1943 инженером В. Н. Гусевым.

Обрабатываемое изделие (анод) и электрод-инструмент (катод) включают, как правило, в цепь постоянного  тока низкого напряжения (до 30 в). Электролитом служит водный раствор силиката натрия Na₂SiO₃ (жидкого стекла), иногда с добавлением солей других кислот. В качестве материалов для электродов-инструментов применяют малоуглеродистые стали (08 кп, 10, 20 и др.). Под действием тока металл изделия растворяется и на его поверхности образуется пассивирующая плёнка. При увеличении давления инструмента на изделие плёнка разрывается и возникает электрический разряд. Его тепловое действие вызывает местное расплавление металла. Образующийся шлам выбрасывается движущимся инструментом. Изменяя электрический режим и давление, можно получить изделия с различной шероховатостью поверхности (до 9-го класса чистоты).

Работа по съёму металла  при анодно-механическая обработка осуществляется электрическим током в межэлектродном зазоре почти без силовой нагрузки на узлы анодно-механического станка в противоположность металлорежущим станкам, в которых эти узлы сильно нагружены. Интенсивность съёма металла практически не зависит от механических свойств обрабатываемых металлов и инструмента (твёрдости, вязкости, прочности), поэтому анодно-механическую обработку целесообразно применять для изделий из высоколегированных сталей, твёрдых сплавов и т. п. Высокий технико-экономический эффект анодно-механическая обработка даёт именно при обработке таких материалов: увеличивается производительность, уменьшаются количество отходов и расход энергии, резко снижаются затраты на инструмент. При доводочных работах анодно-механическая обработка позволяет получить высокое качество поверхности.

Анодно-гидравлическая обработка  впервые была применена в Советском  Союзе в конце 20-х гг. для извлечения из заготовки остатков застрявшего  сломанного инструмента. Скорость анодного растворения зависит от расстояния между электродами: чем оно меньше, тем интенсивнее происходит растворение. Поэтому при сближении электродов поверхность анода (заготовка) будет  в точности повторять поверхность  катода (инструмента). Однако процессу растворения мешают продукты электролиза, скапливающиеся в зоне обработки, и  истощение электролита. Удаление продуктов  растворения и обновление электролита  осуществляются либо механическим способом (анодно-механическая обработка), либо прокачиванием электролита через зону обработки (рис. 9).

 Этим методом, подбирая  электролит, можно обрабатывать  практически любые токопроводящие  материалы, обеспечивая высокую  производительность в сочетании  с высоким качеством поверхности.  Используемые для анодно-гидравлической  обработки электрохимические станки  просты в обращении, используют  низковольтное (до 24 в) электрооборудование. Однако значительные плотности тока (до 200 а/см²) требуют мощных источников тока, больших расходов электролита (иногда до ¹/₃ площади цехов занимают баки для электролита).

 

 

2. Комбинированные методы обработки

 

Комбинированные методы обработки  сочетают в себе преимущества электрофизических и электрохимических методов. Используемые сочетания разнообразны. Например, сочетание анодно-механической обработки с ультразвуковой в некоторых случаях повышает производительность в 20 раз. Существующие электроэрозионно-ультразвуковые станки позволяют использовать оба метода как раздельно, так и вместе.