Маловідхідні фізико-хімічні методи обробки металів

Крім зазначених вище методів обробки металів і виготовлення заготовок і деталей машин застосовують й інші – порівняно нові і дуже прогресивні.

Зварювання металу. До винаходу зварювання металу ництво, наприклад, котлів, металевих корпусів суден або інших робіт, що потребують з’єднання одного з одним металевих листів, було засновано на застосуванні методу клепання.

В даний час клепання майже не застосовують, його замінило зварювання металу. Зварне з’єднання надійніше, легше, виконується швидше і дозволяє заощаджувати метал. Зварні роботи потребують меншої витрати робочої сили. Зварюванням можна також з’єднувати частини поламаних деталей, і шляхом наварки металу відновлювати зношені деталі машин.

Існують два способи зварювання: газове (автогенне) – за допомогою пального газу (суміш ацетилену і кисню), що дає дуже гаряче полум’я (понад 3000ºС), і електрозварювання, при якому метал плавиться електричною дугою (температура до 6000°С). Найбільше застосування в даний час має електрозварювання, за допомогою якого міцно з’єднують дрібні й великі металеві частини (зварюють один з одним частини корпусів найбільших морських суден, ферми мостів та інші будівельні конструкції, частини величезних котлів найвищого тиску, деталі машин і т. ін.). Вага зварюваних частин у багатьох машинах на сьогодні складає 50-80 % їхньої загальної ваги.

Традиційна обробка металів різанням досягається зняттям стружки з поверхні заготовки. У стружку йде до 30-40% металу, що дуже неекономічно. Тому все більша увага приділяється новим способам обробки металів, заснованим на безвідхідній або маловідхідній технології. Поява нових методів зумовлена також поширенням у машинобудуванні високоміцних, корозійно-стійких і жароміцних металів і сплавів, обробка яких звичайними методами ускладнена.

До нових методів обробки металів належать хімічні, електричні, плазмово-лазерні, ультразвукові та гідропластичні.

При хімічній обробці використовується хімічна енергія. Зняття визначеного прошарку металу здійснюється в хімічно активному середовищі (хімічне фрезерування). Воно полягає в регульованому за часом і місцем розчиненні металу з поверхні заготовок шляхом їх травлення у кислотних і лужних ваннах. У той же час поверхні, що не підлягають обробці, захищають хімічно стійкими покриттями (лаки, фарби та ін.). Постійність швидкості травлення підтримується за рахунок незмінної концентрації розчину.

Хімічними методами обробки одержують місцеві витончення на нежорстких заготовках, ребра жорсткості; звивисті канавки й щілини; “вафельні” поверхні; обробляють поверхні, важкодоступні для ріжучого інструмента.

При електричному методі електрична енергія перетворюється на теплову, хімічну й інші види енергії безпосередньо в процесі видалення заданого прошарку. Відповідно до цього електричні методи обробки розділяють на електрохімічні, електроерозійні, електротермічні й електромеханічні.

Електрохімічна обробка заснована на законах анодного розчинення металу при електролізі. При проходженні постійного струму через електроліт на поверхні заготівлі, яка включена в електричну мережу і є анодом, відбувається хімічна реакція й утворюється з’єднання, що переходить у розчин або легко видаляється механічним способом. Електро­хімічну обробку застосовують при поліруванні, розмірній обробці, хонингуванні, шліфуванні, очищенні металів від оксидів та іржі.

Анодно-механічна обробка сполучає електротермічні й електромеханічні процеси і посідає проміжне місце між електрохімічним і електроерозійним методами. Оброблювану заготовку підключають до анода, а інструмент – до катода. Як інструмент використовують металеві диски, циліндри, стрічки, дроти. Обробку ведуть у середовищі електроліту. Заготовці й інструменту задають такі ж рухи, як при звичайних методах механічної обробки.

При пропусканні через електроліт постійного струму відбувається процес анодного розчинення металу як при електрохімічній обробці. При зіткненні інструмента (катода) з мікронерівностями оброблюваної поверхні заготовки (анода) відбувається процес електроерозії, властивий електроіскровій обробці. Продукти електроерозії й анодного розчинення видаляються з оброблюваної зони під час руху інструмента і заготовки.

Електроерозійна обробка заснована на законах ерозії (руйнації) електродів із провідних матеріалів при пропусканні між ними імпульсного електричного струму. Вона застосовується для прошивання порожнин і отворів будь-якої форми, розрізування, шліфування, гравіювання, заточування і зміцнення інструмента. Залежно від параметрів імпульсів і виду застосовуваних для їхнього одержання генераторів електроерозійна обробка розділяється на електроіскрову, електроімпульсну і електроконтактну.

Електроіскрову обробку застосовують для виготовлення штампів, прес-форм, ріжучого інструмента і для зміцнення поверхневого прошарку деталей.

Електроімпульсна обробка використовується як попередня при виготовленні штампів, турбінних лопаток, поверхонь фасонних отворів у деталях із жароміцних сталей. У цьому процесі швидкість знімання металу приблизно в десять разів більша, ніж при електроіскровій обробці.

Електроконтактна обробка заснована на локальному нагріванні заготовки в місці контакту з електродом (інструментом) і видаленні з оброблюваної зони розплавленого металу механічним способом. Метод не забезпечує високої точності і якості поверхні деталей, але дає високу швидкість знімання металу, тому використовується при зачищенні відливок або прокату зі спеціальних сплавів, шліфуванні (чорновому) корпусних деталей машин із важкооброблюваних сплавів.

Електромеханічна обробка пов’язана з механічною дією електричного струму. На цьому заснована, наприклад, електро­гідравлічна обробка, що використовує дію ударних хвиль, які виникають у результаті імпульсного пробою рідкого середовища.

Ультразвукова обробка металів – різновид механічної обробки – заснована на руйнації оброблюваного матеріалу абразивними зернами під ударами інструмента, що коливається з ультразвуковою частотою. Джерелом енергії служать електрозвукові генератори струму з частотою 1630 кГц. Робочий інструмент пуансон закріплюють на хвилеводі генератора струму. Під пуансоном встановлюють заготовку, і в зону обробки надходить суспензія з води й абразивного матеріалу. Процес обробки полягає в тому, що інструмент, що коливається з ультра­звуковою частотою, ударяє по зернах абразиву, що сколюють частки матеріалу заготовки. Ультразвукова обробка використовується для одержання твердосплавних вкладишів, матриць і пуансонів, вирізання фігурних порожнин і отворів у деталях, прошивки отворів із криволінійними вісями, гравіювання, нарізування, різьблення, розрізування заготівель на частини й ін.

Плазмово-лазерні методи обробки засновані на використанні сфокусованого променя (електронного, когерентного, іонного) із дуже високою щільністю енергії. Промінь лазера використовується як для нагрівання і пом’якшення металу попереду різця, так і для виконання безпосереднього процесу різання при прошивці отворів, фрезеруванні і різанні листового металу, пластмас та інших матеріалів.

Процес різання відбувається без утворення стружки, а випаровуваний за рахунок високих температур метал, видаляється стиснутим повітрям. Лазери застосовують для зварювання, наплавлення і розрізування в тих випадках, коли до якості цих операцій висуваються підвищені вимоги. Наприклад, лазерним променем крають надтверді сплави, титанові панелі в ракетобудуванні, вироби з нейлону й ін.

Гідропластична обробка металів застосовується при виготовленні пустотілих деталей із гладкою поверхнею і малими допусками (гідроциліндри, плунжери, вагонні осі, корпуси електродвигунів та ін.). Пустотілу циліндричну заготовку, нагріту до температури пластичної деформації, поміщають у масивну роз’ємну матрицю, зроблену за формою деталі, що виготовляється, і закачують в неї під тиском воду. Заготовка розширюється і набирає форми матриці. Деталі, виготовлені в ций спосіб, мають більшу довговічність роботи.

Нові способи обробки металів виводять технологію виготовлення деталей на якісно вищий рівень у порівнянні з традиційною технологією.