Автор: Пользователь скрыл имя, 30 Ноября 2015 в 11:30, реферат
Бурное развитие различных отраслей промышленности – авиационной, ракетно-космической, радиоэлектронной и др., начавшееся в середине 20-го столетия, обусловило необходимость изготовления различных сложнопрофильных деталей, повысило требования к точности формообразования, качеству поверхности, производительности процессов обработки, вызвало необходимость обработки новых труднообрабатываемых материалов. Решение многих из этих задач традиционными способами, применявшимися в металлообработке, стало затруднительно, неэффективно, а во многих случаях невозможно.
ФЕДЕРАЛЬНОЕ ГОСУДАРСТВЕННОЕ
БЮДЖЕТНОЕ УЧРЕЖДЕНИЕ НАУКИ
ТОМСКИЙ НАУЧНЫЙ ЦЕНТР
СИБИРСКОГО ОТДЕЛЕНИЯ
РОССИЙСКОЙ АКАДЕМИИ НАУК
( ТНЦ СО РАН )
Кафедра философии
Реферат по курсу «История и философия науки»
ТЕМА:
История развития электрофизических и электрохимических методов обработки металлов
Томск – 2015
Бурное развитие различных отраслей промышленности – авиационной, ракетно-космической, радиоэлектронной и др., начавшееся в середине 20-го столетия, обусловило необходимость изготовления различных сложнопрофильных деталей, повысило требования к точности формообразования, качеству поверхности, производительности процессов обработки, вызвало необходимость обработки новых труднообрабатываемых материалов. Решение многих из этих задач традиционными способами, применявшимися в металлообработке, стало затруднительно, неэффективно, а во многих случаях невозможно. Возникла потребность разработки и внедрения принципиально новых методов обработки материалов, основанных на иных, не традиционных, принципах. Именно в это время появляются и интенсивно развиваются различные электрофизические и электрохимические методы обработки материалов: электроэрозионный, электрохимический, ультразвуковой, светолучевые методы и др.
Электрохимические и электрофизические технологии в настоящее время применяют на всех этапах изготовления деталей, начиная от получения заготовок и заканчивая их отделочной обработкой. Используя эти технологии, решают уникальные технологические задачи, обеспечивающие заданное удаление, перемещение или приращение (большого или малого) объема материала заготовки.
Широкое использование в машиностроении материалов с особыми физико-механическими характеристиками, обуславливающими их плохую обрабатываемость традиционными методами резания; создание деталей со сложными формами, повышенными требованиями к качеству поверхностного слоя и точности изготовления; необходимость снижения себестоимости обработки и повышения производительности труда – все это привело к появлению и распространению в производстве электрохимических и электрофизических методов обработки.
История развития электроэрозионного и электрохимического методов обработки материалов является не только яркой иллюстрацией завоевания мирового технологического пространства наукоемкими технологиями, но и подчеркивает государственную важность обладания такими технологиями и их дальнейшего развития.
Электрофизические и электрохимические методы обработки относятся к физико-химическим методам размерной обработки (ФХО) материалов, которые обеспечивают съем обрабатываемого материала в результате физико-химических процессов. По механизму разрушения и съема материала все физико-химические процессы обработки подразделяют на три группы: электрофизические методы обработки (ЭФО), электрохимические методы обработки (ЭХО) и комбинированные, как показано на рис. 1. Таким образом, ФХО – это общее название методов обработки конструкционных материалов непосредственно электрическим током, электролизом и их сочетанием с механическим воздействием. В электрофизические и электрохимические методы обработки включают также методы ультразвуковые, плазменные, электроннолучевые и ряд других методов. С разработкой и внедрением в производство этих методов сделан принципиально новый шаг в технологии обработки материалов – электрическая энергия из вспомогательного средства при механической обработке (осуществление движения заготовки, инструмента) стала рабочим агентом. Всё более широкое использование электрофизических и электрохимических методов обработки в промышленности обусловлено их высокой производительностью, возможностью выполнять технологические операции, недоступные механическим методам обработки.
Рисунок 1. Классификация электрофизических и электрохимических методов обработки [1].
В соответствии с классификацией на рис. 1 электрофизические методы делятся на электроэрозионные, электромеханические, лучевые и плазменные методы обработки.
- Электроэрозионная обработка (ЭЭО) основана на вырывании частиц материала с поверхности импульсом электрического разряда. Если задано напряжение (расстояние) между электродами, погруженными в жидкий диэлектрик, то при их сближении (увеличении напряжения) происходит пробой диэлектрика – возникает электрический разряд, в канале которого образуется плазма с высокой температурой [2].
Так как длительность используемых в данном методе обработки электрических импульсов не превышает 10-2 сек, выделяющееся тепло не успевает распространиться в глубь материала и даже незначительной энергии оказывается достаточно, чтобы разогреть, расплавить и испарить небольшое количество вещества. Кроме того, давление, развиваемое частицами плазмы при ударе об электрод, способствует выбросу (эрозии) не только расплавленного, но и просто разогретого вещества. Поскольку электрический пробой, как правило, происходит по кратчайшему пути, то, прежде всего, разрушаются наиболее близко расположенные участки электродов. Таким образом, при приближении одного электрода заданной формы (инструмента) к другому (заготовке) поверхность последнего примет форму поверхности первого (рис. 2). Производительность процесса, качество получаемой поверхности в основном определяются параметрами электрических импульсов – их длительностью, частотой следования, энергией в импульсе. Электроэрозионный метод обработки объединил электроискровой и электроимпульсный методы.
Рисунок 2. Условная схема процесса ЭЭО.
Электроэрозионные методы особенно эффективны при обработке твёрдых материалов и сложных фасонных изделий. При обработке твёрдых материалов механическими способами большое значение приобретает износ инструмента. Преимущество электроэрозионных методов, как и вообще всех электрофизических и электрохимических методы обработки, состоит в том, что для изготовления инструмента используются более дешёвые, легко обрабатываемые материалы. Часто при этом износ инструментов незначителен.
- Электромеханическая обработка объединяет методы, совмещающие одновременное механическое и электрическое воздействие на обрабатываемый материал в зоне обработки. К ним относят электроконтактный, электроабразивный, магнитоимпульсный, электрогидравлический и ультразвуковой методы. Данные методы основаны на использовании некоторых физических явлений, таких как электрическая дуга, магнитное поле, гидравлический удар, ультразвук и др. Так, например электроконтактная обработка основана на введении в зону механической обработки электрической энергии — возбуждении мощной дуги переменного или постоянного тока (до 12 кА при напряжении до 50 В) между, например, диском, служащим для удаления материала из зоны обработки, и изделием (рис. 3 а). Применяется для обдирки литья, резки и других видов обработки, аналогичных по кинематике движений почти всем видам механической обработки. Магнитоимпульсная обработка применяется для пластического деформирования металлов и сплавов, т.е. обжатие и раздача труб, формовка трубчатых и листовых заготовок, калибровка и т.п. и основана на непосредственном преобразовании энергии меняющегося с большой скоростью магнитного поля, возбуждаемого, например, при разряде батареи мощных конденсаторов на индуктор, в механическую работу при взаимодействии с проводником (заготовкой) (рис. 3 б). Электрогидравлическая обработка, главным образом, основана на использовании энергии гидравлического удара при мощном электрическом (искровом) разряде в жидком диэлектрике (рис. 3 в). При этом необходимо вакуумирование полости между заготовкой и матрицей, поскольку из-за огромных скоростей движения заготовки к матрице воздух не успевает уйти из полости и препятствует плотному прилеганию заготовки к матрице. Метод прост, надёжен, но обладает небольшим кпд, требует высоких электрических напряжений и не всегда даёт воспроизводимые результаты [3].
Рисунок 3. Условные схемы электромеханических обработок: электроконтактная обработка (а), магнитноимпульсная обработка (б) и электрогидравлическая обработка (в).
- Лучевая обработка - 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 том числе прошивание отверстий, и сварку с большой точностью. 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 диаметров (до 5 мкм), работ с особо чистыми материалами.
- Плазменная обработка получила широкое распространение вследствие высокой по промышленным стандартам температуры плазмы (~ 104 К), большого диапазона регулирования мощности и возможности сосредоточения потока плазмы на обрабатываемом изделии. При этом эффекты плазменной обработки достигаются как тепловым, так и механическим действием плазмы (бомбардировкой изделия частицами плазмы, движущимися с очень высокой скоростью – так называемый скоростной напор плазменного потока). Для технологических целей получение плазмы осуществляют в плазмотронах – специальных устройствах, в которых используется электрический дуговой разряд, тлеющий разряд, высокочастотные и сверхвысокочастотные разряды, протекающие в различных плазмообразующих газах.
Все электрохимические методы обработки основаны на явлении электролиза, т.е. на переносе материала с одного электрода на другой, на растворении анода в электролите и на осаждении на катоде металла электролита. Съем металла происходит по закону Фарадея, согласно которому количество снятого металла пропорционально силе тока и времени обработки.
На рис. 4 показана схема процесса электролиза, где в качестве анода и катода выбраны железные электроды, в качестве электролита – водный раствор азотнокислого натрия, молекулы которого диссоциированы на нитрат-ионы и ионы натрия. В растворе, кроме того, присутствуют продукты диссоциации воды: Н+ и ОН-.
При приложении к электрохимической ячейке напряжения на катоде начинается процесс восстановления, а на аноде – окисления. Атом железа отдает два электрона и выходит из кристаллической решетки в электролит в виде двухвалентных ионов Fe+2. Эти ионы при взаимодействии с нитрат-ионами электролита образуют растворимое соединение нитрата железа [Fe(NO3)2]. В результате последовательных реакций нитрата железа с ионами ОН- вначале происходит образование гидроокиси железа [Fe(OH)2], а затем переход в Fe(OH)3, который осаждается в виде шлама. Он легко удаляется из электролита при помощи фильтров или сепараторов. Нитрат-ионы снова вступают в реакцию с новыми ионами железа. На катоде идет процесс восстановления воды. Ионы водорода, принимая электроны катода, образуют атомы водорода, которые в паре дают газообразную молекулу водорода. Ионы натрия в силу своей электрохимической природы при электролизе водных растворов не восстанавливаются и формально не принимают участие в процессе [4].
К основным направлениям электрохимической обработки можно отнести: электролитическое разложение воды; получение хлора и щелочи; электрохимический синтез соединений; получение и рафинирование металлов; гальванотехника; анодное окисление и размерная обработка металлов.
По способу воздействия на деталь эти методы подразделяются на: анодную обработку, когда заготовку подключают к положительному электроду, катодную обработку, когда заготовку подключают к отрицательному электроду и попеременную обработку, когда заготовка может включаться в цепь, и в роли анода, и в виде катода. По технологическим возможностям ЭХО подразделяют на поверхностную и размерную обработки.
Поверхностная электрохимическая обработка. Суть метода состоит в том, что под действием электрического тока в электролите происходит растворение материала анода, 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. Поверхностная ЭХО делится на: электролитическое полирование, анодирование, пассивирование, гальванопластика и гальваностегия.
Размерная электрохимическая обработка. Этот процесс ЭХО служит для придания заготовке нужной формы и размеров. В отличие от рассмотренных процессов ЭХО, выполняемых в необновляемом или в незначительно обновляемом электролите, размерная электрохимическая обработка происходит при непрерывном и интенсивном обновлении электролита, прокачиваемого под давлением через межэлектродный промежуток. Принудительное удаление электролита из рабочей зоны позволяет вести формообразование обрабатываемых поверхностей с меньшими, чем при электрохимическом травлении и полировании, величинами межэлектродного промежутка.
К ЭХО относят анодно-гидравлическую и анодно-механическую обработки. При анодно-гидравлической обработке 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, либо прокачиванием электролита через зону обработки (рис. 5) [5].