Электрофизические и электрохимические методы обработки

Электрофизические и электрохимические методы обработки используют для изготовления сложного рабочего контура прессовых матриц, матриц и пуансонов вырубных, пробивных и обрезных штампов, а также инструмента для горячей объемной штамповки. Они характеризуются рядом следующих особенностей: возможность обработки независимо от физико-механических свойств обрабатываемых материалов; небольшие механические усилия при осуществлении процесса обработки; отсутствие необходимости в более твердых инструментах, чем обрабатываемый материал; значительное уменьшение расхода обрабатываемого материала; высокая точность обработки; высокая производительность.

Для размерной обработки при изготовлении деформирующего инструмента широкое применение нашли электроискровая, электроимпульсная, электрохимическая и ультразвуковая обработка. Суть электроискрового метода состоит в следующем (рисунок 35, а). Конденсатор С заряжается через сопротивление R

от источника постоянного тока. По достижении на конденсаторе напряжения, равного напряжению пробоя, через зазор между электрод-инструментом и деталью происходит раз­ряд. После этого конденсатор заряжается, и процесс повторяется. В результате воздействия, электрического разряда происходит разрушение обрабатываемой детали. Электрический удар, обрушивающийся на электроды в виде эффекта торможения электронов на аноде и ионов на катоде, создает на электродах кратковременно действующие источники тепла, распределенные в области ограниченных размеров. Нестационарный процесс распространения тепла от этих источников вызывает локальное плавление и частичное испарение металла поблизости от источника. Связи пораженных разрядом участков электродов с основной массой металла резко ослабляются, и под действием сил ударной волны расплавленный металл выбрасывается в мёжэлектродное пространство, где и застывает.

С целью увеличения интенсивности электрической эрозии между электродами помещается жидкий диэлектрик (обычно керосин или минеральное масло).

Длительность искрового электрического разряда составляет около тысячной доли секунды. Температура разряда — свыше 10000^СС. Съем металла 400—12000 мм/мин. Чистота поверхности—5-7 класс частоты. Материалом для электрода-инструмента мо­гут служить латунь, медь, графит или меднографитовая композиция.

Причины, сдерживающие развитие электроискрового метода, следующие:

форма инструмента-электрода должна соответствовать форме наружного контура обрабатываемой детали или отверстия, а изготовление электрода сложной конфигурации трудоемко;

электрод должен изготавливаться точнее обрабатываемой детали;

одним электродом изготовить несколько деталей невозможно вследствие быстрого износа электрода.

Более производительной по сравнению с электроискровой является электроимпульсная обработка инструмента (рисунок 35, б).

При этом резко уменьшается износ электрод-инструмента (примерно в триста раз). Полярность тока изменена на обратную (катодом является обрабатываемая деталь). Длительность импульса увеличивается до 500...10000 мкс. Температура разряда значительно снижается. Съем обрабатываемого металла проис­ходит не в парообразном, а, в основном, в капельно-жидком состоянии.

Контуры отверстий в матрицах вырезают с помощью электрода в виде тончайшей медленно движущейся проволочки из латуни. Таким образом получают поверхность любого профиля с точностью 0,002 мм и обеспечивают шероховатость поверхности R_a = 1,б...0,8мкм и точность размеров по 7—9 квалитету.

Схема вырезания показана на рисунке 36. Заготовку закрепляют на столе станка, имеющем форму скобы. Заготовка должна иметь предварительно обработанное отверстие для пропускания через него электрода-проволоки. Электрод-проволока вводится в отверстие и во время работы станка сматывается е барабана на барабан, который вращается двигателем через редуктор. Скоба может перемещаться в горизонтальной плоскости в двух взаимно перпендикулярных направлениях с помощью суппортов, которые приводят в действие автоматические регуляторы подачи.

Автоматические регуляторы работают по программе и обеспечивают вырезание детали требуемого контура.

Электрохимический метод основан на явлении анодного растворения, благодаря которому на изделии воспроизводится профиль катода инструмента в негативной форме (рисунок 37). Специфической особенностью метода является высокая скорость движения электролита (преимущественно раствора NaCl) в зазоре между электродами, величина которого изменяется в пределах 0,1...0,5 мм. Движение электролита обеспечивает удаление про­дуктов анодного растворения, образующихся в большом количестве, и его охлаждение.

Электроды-инструменты изготавливают из меди, латуни или коррозионно-стойкой стали. Метод характеризуется высокой производительностью и нулевым износом электрода-инструмента, но требует применения источников тока большой силы. При его использовании возникают трудности по вымыванию осадков и образующихся газов. Отмечаются также затруднения управлением процесса при обработке сложнопрофилированных инструментов высокой точности.

Освоение электрохимической обработки профильного инструмента позволило в 15—18 раз сократить время их изготовления и уменьшить стоимость обработки.

При ультразвуковом методе изготовления электрические колебания высокой частоты 16...25 кГц передаются на торец мастер-инструмента (рисунок 38). Одновременно в зону обработки под торец инструмента поступает суспензия зерен абразива в воде. Колеблющийся с ультразвуковой частотой мастер-инструмент ударяет по зернам абразива, последние выкалывают частицы металла штампа, осуществляя на нем копирование формы мастер-инструмента. В качестве абразива применяют карбид бора, карбид кремния или корунд. Этот метод используется для обработки хрупких материалов с точностью до 0,08 мм и чистотой поверхности R_a = 0,32 мкм.

Методы точного литья

Стойкость инструмента, изготовленного методом точного литья, не уступает стойкости кованых штампов, а стоимость их изготовления в 4—7 раз меньше, чем при механической обработке. Применение данного способа снижает затраты на механическую обработку, упрощает технологию изготовления инструмента и сокращает производственный цикл. Кроме того, для производства инструмента можно применять жаропрочные сплавы, которые трудно поддаются механической или пластической обработке.

Теоретические предпосылки применения материала в литом состоянии для деформирующего инструменту основываются на особенностях литой структуры — ее каркасности, вследствие чего литому металлу присуще более высокое сопротивление пластической деформации при одновременно меньших значениях характеристик пластичности по сравнению с металлом того же химического состава, но подвергнутого обработке давдением. С повышением температуры разупрочнение литого металла про­текает медленнее, чем деформируемого. Следует отметить также более высокую износостойкость и разгаростойкость.

Способ получил распространение после tofo, как появился «Шоупроцесс», применение которого обеспечивает высокую точность отливок благодаря использованию керамических форм. Керамические формы состоят из керамической облицовки и наполнительной среды. Форму получают путем заливки модели жидкой смесью, состоящей из пылевидного кварца, кварцевого песка и гидролизованного этилсиликата. Керамический блок, затвердевший до эластичного состояния, поджигают для удаления летучих составляющих, а затем подвергают прокаливанию. После высокотемпературной (при 850,..950°С) прокалки в материале формы появляется много трещин. Они обеспечивают прохождение газов, но не могут быть заполнены металлом.

Кроме литья в керамические формы применяют литье в формы из термореактивных смесей, в металлический кокиль, облицованный керамической смесью, по выплавляемым моделям (обрезные штампы).

Почти вдвое больше деталей можно изготовить с помощью инструмента, полученного методом Электрошлакового переплава (ЭШП). Установки для электрошлаковой переплавки позволяют производить переплавку старого изношенного инструмента и изготавливать из нее литой инструмент (матрицы, пресс-шайбы, штампы и т. д.). Подобную «реставрацию» можно производить пятикратно. В качестве электрода применяются, на пример, вышедшие из строя иглы. В плавильном пространстве расплавленный шлак и жидкий металл ванны являются источником тепла для дальнейшего ведения процесса расплава. Отливка инструмента производится в медный водоохлаждаемый кристаллизатор.

6.5. Выбор оптимального варианта изготовления инструмента

Один и тот же процесс обработки металлов давлением может быть неоднозначен и реализован по своей экономической эффективности по различным вариантам деформирующего инструмента. Поэтому выбор оптимальной конструкции инструмента, способа изготовления и материала для инструмента необходимо обосновать путем вычислений, требующих построения математической модели. Для этого чаще всего используют линейное программирование как основной метод отыскания решения. В качестве критерия оценки оптимальности инструмента (целевой функции) принимают себестоимость изготовления полуфабрикатов, удельный расход инструмента или съем продукции с единицы инструмента. Целевую функцию записывают в виде

L = С₁Х₁ + С₂Х₂ + ... + С_пх_п.

На переменные х₁, х₂, ... х_п накладывают систему огра­ничений

и граничные условия x_j³0, где j = 1, 2, ...,n, п — число переменных, т — число ограничений, а_ij, b_ij_ — заданные по­стоянные величины. Например, для процесса холодной листовой штамповки себестоимость изготовления детали (целевая функция) определяется выражением

L = (С_м + С₃ + С_ш + С_о) ®min,

где С_м, С₃, С_ш и С_о — удельные затраты на материал, заработную плату производственных рабочих, штамповый инструмент и оборудование соответственно.

Затраты на штамповый инструмент находят по формуле

где п — количество штампов на операцию для выполнения готовой программы; Р_шт — стоимость штампа для каждой операции; К_шт — коэффициент, учитывающий затраты на ремонт штампов; N — количество деталей, полученных до полного износа штампа.

Как видно из данного примера, себестоимость продукции в сильной степени зависит от затрат на изготовление и эксплуатацию технологического инструмента, поэтому с помощью технологической модели выбирают более оптимальный вариант исполнения инструмента, обеспечивающий наименьшую себестоимость изготовления.

Задача. Инструментальный цех выпускает штампы двух видов П₁ и П₂. На эти изделия идут четыре вида материала S₁, S₂, S₃, S₄ (таблица 4). Сколько штампов П₁ и П₂ надо изготовить, чтобы при данных запасах материалов получить наибольшую выручку, если стоимость одного штампа П₁ – 70 руб. П2 — 50 руб.?

Таблица 3 - Затраты материалов на штампы

Решение. Предположим, что цех выпускает штампов Тогда целевая функция L = С₁х₁ + С₂ х₂ ®max, где С, — стоимость штампов. На первый штамп П_г расходу­ется материала S₁®а₁₁х₁, на второй П₂ — a₁₂х₂, на все штампы — а₁₁ x₁ + а₁₂х₂ £b, где b₁ — запасы материала S₁. Анало­гичным путем находятся и другие ограничения. В конечном итоге получаем

(16)

Надо найти такие числа х₁ и х₂, удовлетворяющие неравенствам, при которых целевая функция имеет наибольшее возможное значение.

Задачу можно решить чисто геометрическим способом в координатах х₁ , х₂. Каждая прямая неравенства делит плоскость на две полуплоскости. По одну сторону от граничной прямой

располагаются точки, удовлетворяющие неравенству, по другую — неудовлетворяющие. В совокупности на плоскости x₁ox² граничные прямые образуют многоугольник — область изменения переменных (рисунок 39). После вычисления целевой функции в каждой вершине многоугольника найдем, что наибольшую выручку цех получит при изготовлении штампов П₁ — 5 шт. и П₂ — 3 шт.

При выборе способа изготовления деформирующего инструмента следует исходить из конкретных условий производства и характеристик инструмента. Ясно, что при изготовлении крупногабаритного инструмента преимущество надолго сохранится за обработкой на металлорежущих станках. В будущем, по-видимому, доминирующее положение в производстве деформирующего инструмента займут пластическое деформирование и точное литье. В настоящее время наиболее распространенным способом является обработка на металлорежущих и электроимпульсных станках.

Не нашли, что искали? Воспользуйтесь поиском по сайту: