Электрофизические и электрохимические методы обработки успешно дополняют механическую обработку резанием. Они применяются при обработке очень прочных и очень вязких материалов; хрупких, тонкостенных нежестких деталей, а также пазов, отверстий, имеющих размеры в несколько микрон; при получении поверхностей деталей с малой шероховатостью, с очень малой толщиной дефектного поверхностного слоя и т.д.

При электрофизических и электрохимических методах обработки механические нагрузки либо отсутствуют, либо настолько малы, что практически не влияют на погрешность точности обработки. Эти методы позволяют не только изменять форму обрабатываемой поверхности заготовки, но и влиять на состояние поверхностного слоя. При этом износостойкость и коррозионная стойкость поверхностного слоя повышаются, увеличиваются прочность и другие эксплуатационные характеристики поверхности детали. Технология электрофизических и электрохимических методов обработки проста, что обеспечивает широкие возможности их автоматизации.

Элионная обработка — это размерная обработка конструкционных материалов, основанная на использовании сфокусированных лучей или потоков частиц. Она применяется в тех случаях, когда обработка заготовок традиционными методами резания затруднена или невозможна.

К методам элионной обработки относятся: лазерная, электронно-лучевая, плазменная, электроэрозионная.

Лазерная обработка основана на использовании мощного светового луча, сфокусированного в тонкий пучок с большой концентрацией энергии. Луч выделяет теплоту на поверхности обрабатываемой заготовки, материал заготовки плавится и испаряется. Источником лазерного луча является оптический квантовый генератор (ОКГ), работа которого основана на принципе стимулированного генерирования светового излучения. Рабочим элементом ОКГ является рубиновый стержень, состоящий из окиси алюминия, активированного 0,05 % Сr. Источником света для возбуждения атомов хрома служит импульсная лампа с температурой излучения около 4000 °С. Свет лампы с помощью отражателя фокусируется на рубиновый стержень, в результате чего атомы хрома приходят, в возбужденное состояние. Из этого состояния они могут возвратиться в нормальное, излучая фотоны. Вся запасенная в стержне рубина энергия высвобождается почти одновременно в миллионные доли секунды в виде луча диаметром около 0,01 мм. Системой оптических линз луч фокусируется на поверхность обрабатываемой заготовки. Температура луча — около 6000…8000 °С.

При обработке лазером обеспечивается съем металла со скоростью до 100 мм³/с. Эффективность процесса обработки не зависит от свойств обрабатываемого материала. Этим методом можно обрабатывать, например, отверстия диаметром от 10 до 0,5 мкм и глубиной до 0,5 мм в нержавеющей стали, вольфраме, алмазе и других труднообрабатываемых материалах. Лазерную обработку применяют для разрезания заготовок на части, вырезания заготовок из листового материала, прорезания пазов и т.д.

Электронно-лучевая обработка основана на использовании энергии сфокуси-рованного электронного луча, получаемого в электронной пушке. Электронный луч образуется в результате эмиссии электронов с вольфрамового катода, установленного в вакуумной камере и питаемого от источника накала. Электроны формируются в пучок и под действием электрического поля, создаваемого высокой разностью потенциалов между катодом и анодом, ускоряются в вертикальном направлении. Затем луч, пройдя через специальную фокусирующую систему, направляется к поверхности заготовки. Диаметр сфокусированного луча составляет несколько микрон. В зоне обработки температура достигает 6000 °С.

Достоинства электронно-лучевой обработки следующие:

• возможность создания локальной концентрации высокой энергии (металл нагревается и испаряется только под лучом);

• широкое регулирование и управление тепловыми процессами;

• обработка труднодоступных мест заготовок.

Электронным лучом обрабатывают отверстия диаметром от 10 мкм до 1 мм, разрезают заготовки, прорезают пазы, обрабатывают труднообрабатываемые металлы и сплавы. Недостатком этого вида обработки является то, что она возможна только в вакууме.

Сущность плазменной размерной обработки состоит в том, что плазму направляют на обрабатываемую поверхность заготовки. Плазма представляет собой полностью ионизированный газ, имеющий температуру 10000…30 000 °С. Получают плазму в плазмотронах (плазменных головках) следующим образом: между вольфрамовым электродом и медным электродом, выполненным в виде трубы, возбуждают электрическую дугу; затем в трубу подают газ (аргон, азот, гелий, водород, кислород) или смесь газов (воздух). Проходя по соплу, газ обжимает электрический разряд, ионизируется и выходит из головки в виде ярко светящейся струи — плазмы.

Плазменным методом производят строгание и точение заготовок, прошивают отверстия, отрезают часть заготовки. Обрабатывать можно любые материалы.

Достоинства плазменной обработки: малая трудоемкость процесса, низкие расходы исходных материалов и полное использование сырья.

Недостатки – сильный шум (120 дБ и более), низкое качество и точность обработки.

Электроэрозионные методы обработки основаны на разрушении электродов из токопроводимых материалов при пропускании между ними импульсного электрического тока. К электроэрозионным методам обработки относятся электроискровая и электроимпульсная. Впервые эти методы были предложены русскими учеными в 1943 г.

При электроэрозионных методах обрабатываемая заготовка служит одним из электродов (анодом), а инструмент — другим электродом (катодом). Электрический разряд между двумя электродами происходит в газовой среде при заполнении межэлектродного промежутка диэлектрической жидкостью (керосином, минеральным маслом и др.). В жидкой среде процесс электроэрозии происходит интенсивнее. При наличии определенного значения разности потенциалов на электродах межэлектродное пространство ионизируется и становится токопроводящим. Между электродами возникает импульсный дуговой или искровой разряд. Время импульса составляет 10^-5…10^-8 с. Мгновенная плотность тока в канале проводимости — 8000…10 000 А/мм², в результате чего температура на поверхности обрабатываемой заготовки-электрода достигает 10000…12 000 °С. При такой температуре мгновенно оплавляется и испаряется элементарный объем металла, и на обрабатываемой поверхности образуется лунка.

Удаленный металл застывает в виде сферических гранул диаметром 0,01…0,005 мм в диэлектрической жидкости. Следующий импульс пробивает межэлектродный промежуток там, где расстояние между электродами окажется наименьшим. При непрерывном подведении к электродам импульсного тока процесс эрозии продолжается до тех пор, пока не будет удален весь металл, находящийся между электродами на расстоянии, при котором возможен электрический пробой при заданном напряжении импульса. Для продолжения процесса эрозии необходимо сблизить электроды до указанного расстояния. Для автоматического сближения электродов применяют следящие сис-темы.

Электроэрозионные методы обработки широко применяют при изготовлении штампов, пресс-форм, фильер, режущего инструмента, сеток и др. Ими можно получать сквозные и глухие отверстия любой формы, выполнять плоское, круглое и внутреннее шлифование, разрезать заготовки и т.д. При электроимпульсной обработке съем металла в единицу времени в 8 — 10 раз больше, чем при электроискровой. Точность размеров деталей и шероховатость поверхности зависят от режима обработки.

В основе электрохимических методов обработки лежит явление анодного растворения при электролизе. Обрабатываемая заготовка помещается в электролит, включается в цепь постоянного тока и служит анодом. При прохождении электрического тока через электролит протекают химические реакции, превращающие поверхностный слой металла в химическое соединение. Продукты электролиза переходят в раствор. Производительность электрохимической обработки зависит от свойств обрабатываемого металла, электролита и плотности тока.

При электрохимической размерной обработке инструменту, служащему катодом, придается форма, обратная форме обрабатываемой поверхности. Через межэлектродный промежуток, образуемый обрабатываемой заготовкой-анодом и инструментом-катодом, непрерывно под давлением подается струя электролита, которая растворяет образующиеся на заготовке продукты анодного растворения и удаляет их из зоны обработки. При этом одновременно обрабатывается поверхность заготовки, находящаяся под воздействием катода, что обеспечивает высокую производительность процесса. Участки заготовки, не требующие обработки, изолируются.

Достоинством данного метода является возможность обрабатывать тонкостенные детали из высокопрочных сплавов и других труднообрабатываемых материалов. Электрохимическая обработка применяется при отделочных операциях (электроалмазная обработка); при этом достигается высокое качество обработанной поверхности.

Анодно-механическая обработка основана на сочетании электротермических и электрохимических процессов и занимает промежуточное место между электроэрозионными и электрохимическими методами.

Суть метода состоит в том, что заготовку подключают к аноду, а инструмент — к катоду. В качестве инструмента в зависимости от характера обработки применяют металлические диски, цилиндры, ленты, проволоку. Обработку ведут в среде электролита (водный раствор жидкого натриевого стекла). Заготовке и инструменту сообщают движение так же, как и при обычных методах механической обработки резанием (скорость резания и подачу), а в зону обработки через сопло подают электролит. При пропускании через электролит постоянного электрического тока происходит процесс анодного растворения. При соприкосновении инструмента (катода) с микронеровностями обрабатываемой поверхности заготовки (анода) происходит процесс электроэрозии. Под действием проходящего через заготовку электрического тока металл последней размягчается. Продукты электроэрозии и анодного растворения удаляются из зоны обработки в результате относительных движений инструмента и заготовки.

Анодно-механическим методом обрабатывают все токопроводящие материалы, высокопрочные и труднообрабатывае­мые металлы и сплавы, твердые сплавы, вязкие материалы.

Сущность химических методов размерной обработки деталей состоит в травлении их в крепких растворах кислот и щелочей. Перед травлением заготовки предвари­тельно тщательно очищают от окалины и масла. Поверхности заготовок, не подлежащие обработке, покрывают химически стойкими защитными покрытиями (лаками, красками, эмуль­сиями, применяют гальванические покрытия, резиновые за­щитные покрытия). После этого заготовки опускают в ванну с раствором кислоты или щелочи — в зависимости от мате­риала, из которого они изготовлены. Незащищенные метал­лические поверхности травятся. Для повышения интенсивности процесса травильный раствор подогревают до температуры 40…80 °С. По окончании травления заготовки промывают, нейтрализуют, повторно промывают в горячей содовой воде, сушат и снимают защитные покрытия.

Химическое травление применяют для обработки ребер жесткости деталей, получения извилистых канавок и щелей, обработки труднодоступных для режущего инструмента по­верхностей и т.д.

Химико-механическая обработка применяется для раз­резания и шлифования пластинок из твердого сплава, при доводке твердосплавного инструмента. В качестве инструмен­та используют чугунные диски или пластины. Обработка про­исходит в ваннах, заполненных суспензией, состоящей из раствора серно-кислой меди и абразивного порошка. Заготов­ке и инструменту сообщаются относительные движения. В результате обменных химических реакций кобальтовая связ­ка твердого сплава переходит в раствор в виде соли, а зерна карбидов титана и вольфрама удаляются инструментом и присутствующим в растворе абразивным порошком.