"Лезвием" электроискры

Наша страна является родиной электроэрозионных методов обработки токопроводящих материалов - металлов и сплавов. Их суть состоит в том, что энергия импульсных электрических разрядов, возбуждаемых между инструментом и изделием, преобразуется в теплоту, выплавляющую частицы обрабатываемого металла. Эта идея была разработана советскими учеными Б. Р. Лазаренко и Н. И. Лазаренко. Работая над изысканием наиболее эффективных и надежных способов защиты материалов от электроэрозии - этого разрушительного процесса, они в ходе экспериментов пришли к заключению, что электрическую искру можно с большим эффектом использовать в качестве "резца".

Новая технология все увереннее заявляет о себе. И сегодня можно сказать, что это новый значительный шаг в металлообработке. Станки, действующие по этому принципу, способны обрабатывать любые материалы.

...В патроне станка зажат обыкновенный сучок. Но вот этот необычный инструмент приближается к металлической пластинке. Слышится легкое потрескивание, и дерево входит в металл ...

Что же это за сверхпрочное дерево?

Оказывается, это обыкновенная русская береза. Но часть сучка покрыта тонким токопроводящим слоем. По едва заметному проводу к нему подводится электрический ток. Специальный аппарат создает такой режим, при котором электрический заряд накапливается и в какой-то момент ударяет в нужную точку с огромной силой. Следует серия молниеносных электрических ударов-импульсов. Каждый из них "просверливает" в металле нужное отверстие.

Деревянное "сверло" - наглядное свидетельство возможностей импульсной техники. Не менее показательны и другие примеры. Оказывается, обыкновенной металлической полоской, какой, например, оковывают деревянную тару, можно разрезать брус метрового диаметра из наипрочнейшего сплава. Это успешно делают станки, выпускаемые Троицким станкостроительным заводом. Гибкая непрерывно движущаяся лента миллиметровой толщины врезается в заготовку без особых усилий так, как, например, электропила режет дерево. Лишь тихий шелест электрической искры, "стекающей" по лезвию "режущего инструмента", напоминает о высоком рабочем напряжении.

На другом станке, габаритные размеры которого не больше чем у швейной машины, производится обработка стальных деталей латунной проволокой. Передвигаясь в жидкости, латунная нить искрится тысячами беспрерывных микромолний. Эти электродуговые разряды и "прошивают" в детали "строчки" необходимой формы.

Совсем недавно электричество лишь приводило в движение токарные, сверлильные, фрезерные и другие металлообрабатывающие станки. Сегодня его заставили работать по-новому. Электрическая искра сама стала обрабатывающим инструментом.

Перед электроискровыми импульсами не могут устоять ни мягкое железо, ни сверхпрочные стали. Они обрабатывают вязкие, хрупкие, химически активные и другие материалы. Единственное условие - токопроводность обрабатываемого материала.

Что делают электрические импульсы сегодня, какие технологические операции они будут выполнять завтра?

Электроискровой метод, при котором съем металла производится кратковременными искровыми разрядами, применяется главным образом для точной обработки небольших деталей в радиоэлектронной промышленности, для вырезки фасонных контуров твердосплавных вырубных штампов, для пробивки тонких щелей и малых отверстий

Электроискровым методом можно изготавливать чеканочные и кузнечные штампы из предварительно закаленного металла и даже из карбидных сплавов. Этим методом можно шлифовать без абразива и даже с одновременным упрочнением, легированием обрабатываемой поверхности, можно затачивать твердосплавные резцы и получать при одном электроде - катоде - всю гамму режимов обработки - от обдирочного до доводочного включительно.

С помощью электроискрового метода стало возможным выполнять и такие технологические операции, как пробивка отверстий с криволинейными и даже спиралеобразными осями; сверление глубоких отверстий-гнезд со сложной конфигурацией; восстановление вагонных колес и шеек валов; извлечение обломков инструмента, застрявших в металлах; ремонт шестерен, штампов.

"Лезвием" электроискры успешно обрабатываются самые разнообразные турбинные лопатки, в том числе и испещренные мельчайшими щелями для циркуляции охлаждающей жидкости; детали с полостями, соединенными каналами; тонкостенные решетки и сита из жаропрочных сплавов; четкие клейма, декоративные гравюры на камне, чугуне, хрустале... И это далеко не полный перечень изделий, обязанных своим происхождением электроэрозионной технологии.

С помощью электроискрового метода, оказывается, можно производить и балансировку вращающихся деталей. Система электродов осуществляет бесконтактное снятие или нанесение металла на балансируемую деталь. Возможны и такие операции, как заточка инструмента без снятия его со станка. В этом случае электроэрозионное устройство и небольшой резервуар с диэлектрической жидкостью крепятся к станку. Просачиваясь через небольшую щель, жидкость смачивает электрод, затачивающий резец.

Несомненны и экономические преимущества электроэрозионного метода. Изготовление из твердого сплава штампа средней сложности для часовой промышленности, например, пока обходится в 150-160 рублей и занимает не менее двух недель. А при использовании нового метода на этот же процесс уйдет не более смены. Стоимость изготовления штампа не превысит 20 рублей.

Чтобы отформовать протектор автопокрышки, нужна металлическая форма. На электроэрозионном станке она изготавливается в тридцать раз быстрее, чем на обычном фрезерном. Насечка мельничных валов занимает полтора часа вместо двух-трех смен при механическом способе...

Новая технология не только эффективна, но и в ряде случаев абсолютно незаменима. Электроэрозионные станки легко поддаются автоматизации, программированию, управлению, способствуют улучшению условий труда. Детали, изготовленные на таких станках, как правило, не требуют дополнительной доводки. Там, где обычный резец бессилен, приходит на помощь "лезвие" электроискры. А таких операций в современном производстве становится все больше.

Другой разновидностью электроэрозионного метода является электроимпульсная обработка. Металл здесь снимается импульсным дуговым разрядом.

Представим себе электроимпульсный станок в действии. Весь процесс обработки в нем происходит скрыто - в этом его характерная особенность. Ни электрода, ни заготовки не видно - их закрывает слой машинного масла. Там в глубине беспорядочно бегают крошечные огоньки. Это вспыхивают электрические дуги, оставляя на поверхности заготовки маленькие лунки. Выплавившиеся металлические частицы выскакивают из лунок с коллоссальной скоростью до 1000 метров в секунду. Остывая, они превращаются в крохотные шарики. Сливаясь друг с другом, лунки слой за слоем "слизывают" металл с поверхности заготовки.

При электроимпульсной обработке по сравнению с электроискровой примерно в десять раз сокращается износ инструмента. Во столько же раз выше производительность, расход энергии в три раза меньше. Эти преимущества обеспечивает в сотни раз увеличенная по сравнению с электроискровым способом продолжительность разрядов, достигающая иногда сотой доли секунды (большей длительности соответствует и более низкая температура); сокращенные перерывы между разрядами; подключение инструмента не к отрицательному, а к положительному полюсу источника тока.

Где же применяется электроимпульсная обработка? Главным образом, при изготовлении деталей сложных геометрических форм из трудно обрабатываемых сплавов. Этот метод незаменим, например, при обработке фасонных полостей стальных ковочных штампов, в том числе и весьма крупных, пресс-форм, форм для литья, турбинных лопаток и колес, внутренних соединительных каналов в гидроаппаратуре.

В промышленности начинает все больше распространяться и так называемый электроконтактный способ, при котором металл обрабатывается вращающимся стальным диском. В этом случае между диском и самим изделием возбуждается мощная электрическая дуга. Таким способом производится, например, обдирка слитков из специальных сталей перед прокатом.

Еще одной разновидностью электроэрозионного метода является двухкомпонентный способ магнитотепловой обработки металлов. Суть этого метода, как видно из самого названия, состоит в одновременном воздействии на металл теплоты, доводящей внешние слои заготовки до расплавления, и магнитного поля, удаляющего расплав.

Как же идет технологический процесс обработки металла при магнитотепловом способе?

Предположим, что нам нужно из цилиндрической заготовки изготовить конус. В этом случае заготовку зажимают между двумя электродами, подключенными к источнику тока, а обрабатываемый участок помещают в магнитное поле и нагревают до плавления или размягчения его газовым пламенем, электрической дугой или током высокой частоты. Чтобы начать обработку заготовки, ее приводят во вращение, сопло газовой горелки и электромагнит передвигают относительно нее на специальном приспособлении (каретке). При этом электромагнит создает не только сильное магнитное поле, но и механические усилия в месте пересечения заготовки магнитным полем перпендикулярно движению тока через заготовку. Эти усилия и будут отрывать капли расплава, способствуя интенсивному съему металла. Регулировать съем металла можно перемещением каретки вдоль заготовки, а также изменением интенсивности пламени.

Чтобы обеспечить нормальный ход процесса, необходимо соблюдать определенное условие. Ток, протекающий через заготовку, может быть постоянным, переменным или пульсирующим, но при этом обязательно, чтобы магнитное поле на каретке было соответственно постоянным, переменным или пульсирующим.

Важным фактором при обработке изделия является умение быстро и эффективно управлять этим процессом, создавать необходимую конфигурацию магнитных силовых линий. Например, меняя их форму, можно делать в деталях различные углубления и придавать им определенную фасонную форму. Особенно большой эффект можно получить при обработке изделий, если менять полярность магнитного поля. Перемена полярности дает возможность создавать на обрабатываемом изделии соответствующие выпуклости, при этом образующиеся выпуклости по своему внешнему виду и некоторым характерным особенностям напоминают полученные литьем или жидкой штамповкой. И в этом случае полость штампа и стенку литейной формы успешно заменяет давление магнитных силовых линий.

Особенно эффективен магнитотепловой способ при обработке труб. Пустотелые трубные заготовки необязательно даже доводить до плавления. Их раскаленные стенки будут послушно вытягиваться и в полужидком или пластическом, слегка размягченном, состоянии, как при горячей штамповке - вытяжке. Такая технологичность достигается вследствие того, что уже при сравнительно высоких напряжениях магнитного поля давление силовых линий на металл достигает нескольких сотен килопаскалей.

Что еще можно обрабатывать магнитотепловым способом? Очень многое. Прежде всего, можно получать фасонные изделия из твердых сплавов, высоколегированных сталей.

Достаточно внутрь пылающей газовой или электрической дуги ввести струю сжатого воздуха, как магнитотепловая установка легко превращается в воздушно-дуговую - в мощный резак.

А как обстоит дело с качеством изделий при обработке магнитотепловым способом? Высокой размерной точности пока не удалось добиться. Чистота же обрабатываемой поверхности получается весьма высокой.

Как только включается ток на установке, мгновенно вспыхивает огненный смерч. Слепящими искрами рассыпаются капли расплава, словно их сдувает невидимый ветер. Поверхность обрабатываемого изделия, по которой прошлось пламя и магнитное поле, получается как бы зализанной, гладкой, как застывшая смола.

К достоинствам магнитотеплового метода относится и то, что он не требует сложного и дорогостоящего оборудования. Установка весьма компактна и универсальна. На одной и той же установке можно и резать, и наплавлять, и протачивать канавки, и придавать заготовкам самые причудливые конфигурации. Воздействуя сильными магнитными полями на размягченный металл, можно благоприятным образом влиять и на его внутреннюю микроструктуру.

Хотя сегодня удельный вес электрофизического оборудования в общем парке пока еще относительно невелик, новые прогрессивные методы обработки оказывают революционизирующее влияние на развитие технологии многих отраслей промышленности и особенно машиностроения.