В современном машиностроении и инструментальной промышленности широко применяются новые материалы с очень высокими механическими свойствами. Обработка таких материалов металлическими инструментами практически невозможна, некоторые из них не поддаются даже шлифованию. Для обработки таких материалов применяются электрофизические методы обработки.

1. Анодно-механическая обработка

Процесс съема металла при анодно-механической обработке происходит вследствие теплового и химического воздействия на него электрического тока. При этом виде обработки заготовка присоединяется к положительному полюсу, а инструмент – к отрицательному полюсу электрического источника. В процессе обработки инструмент смачивается электролитом и перемещается по заготовке. Подача осуществляется таким образом, чтобы зазор между инструментом и заготовкой был заполнен тонким слоем электролита. При очень малом зазоре цепь постоянного тока оказывается замкнутой через выступающие микронеровности поверхности. Количества тепла, выделяемого током при прохождении от заготовки к инструменту, оказывается достаточным для плавления микропластических выступов на поверхности заготовки. Это обуславливается значительной плотностью тока при малых площадях контактирующих участков. Расплавленные частицы металла в виде раскаленных шариков выносится движущимся инструментом из зоны обработки.

Наиболее широкое распространение получила анодно-механическая резка. Этот способ обработки применяется при разрезании твердосплавных изделий, пруткового вольфрама, сталей высокой прочности и т.д.

2. Электроэрозионная обработка

Метод электроэрозионной обработки основан на использовании явления электрической эрозии – направленного разрушения токопроводящих материалов в результате теплового действия импульсных электрических разрядов между инструментом и обрабатываемой деталью.

Электроэрозионная обработка разделяется на электроискровую и электроимпульсную обработку.

При электроискровой обработке используются генераторы, в которых процесс генерирования импульсов тока полностью определяется величиной и состоянием межэлектродного пространства (релаксационные трансформаторы). Частота следования разрядов достигает сотен тысяч в секунду. Инструмент соединяется с отрицательным полюсом источника тока и перемещается вдоль оси. Заготовка соединяется с положительным полюсом источника тока.

При электроимпульсной обработке используются машинные и разобщенные генераторы, создающие в межэлектродном пространстве редкие импульсы (400 ипм/сек). Схема процесса аналогична электроискровой обработке, однако производительность процесса значительно выше.

С помощью электроэрозионной обработки получают сложные фасонные отверстия и полости в штампах, производится точная вырезка различных профилей и т.д.

3. Электрохимическая обработка

Метод электрохимической обработки заключается в направленном рассмотрении металла под действием тока. Рабочий инструмент подключается к отрицательному, а обрабатываемая деталь – к положительному полюсу источника электрического тока. Электролит, в качестве которого обычно используется 15%-ый водный раствор хлористого натрия, подается под давлением в зазор между инструментом и деталью. Величина зазора составляет 0,1-0,5 мм. Под действием постоянного электрического тока происходит электрохимическое растворение анода – обрабатываемой детали, продукты растворения уносятся потоком электролита. По мере съема металла инструмент (электрод) перемещается с постоянной скоростью подачи в направлении детали и образует в ней требуемое отверстие или полость. Одним из основных факторов, обеспечивающих точность электрохимической обработки, является способ подачи электролита в межэлектродный зазор. Инструмент, изготавливаемый из меди и бронзы, в процессе работы практически не изнашивается.

Разновидностью электрохимической обработки является электроабразивная и электроалмазная обработка.

В промышленности широко распространено электроалмазное шлифование. Обрабатываемая деталь и вращающийся шлифовальный круг присоединяются к источнику постоянного тока. Алмазные зерна создают зазор между электропроводной связкой круга и деталью. Зазор заполняется электролитом – водным раствором солей, который подается струей в зону обработки. При прохождении тока поверхностный слой детали растворяется, а продукты растворения удаляются с поверхности детали алмазными зернами круга.

Электрохимическая обработка применяется в основном для изготовления деталей сложной формы из жаропрочных сплавов (лопаток и роторов газовых турбин, компрессоров, фасонных отверстий в роторах), а также зубчатых реек сложного профиля, образования канавок, и т.д.

4. Ультразвуковая обработка

Принцип ультразвуковой обработки твердых и хрупких материалов состоит в создании высокой скорости направленного износа или скалывания частиц обрабатываемого материала под влиянием вибрирующего с ультразвуковой частотой инструмента и непрерывно подаваемого в зону обработки абразивного материала.

В рабочую зону, то есть в пространство между торцом инструмента и обрабатываемой деталью, подается водная суспензия абразивного порошка карбида кремния или карбида бора. Инструмент совершает продольные колебания с ультразвуковой частотой 16-30 кГц и небольшой амплитудой ­– 0,02-0,06 мм. В процессе колебаний торцевая поверхность инструмента ударяет по абразивным зернам, которые и скалывают с обрабатываемой поверхности микрочастицы материала. Большое количество одновременно ударяющихся о поверхность абразивных зерен обуславливает интенсивный съем с нее материала. Если инструменту сообщить движение подачи в направлении колебании его торца, то в детали будет образовываться полость, соответствующая поперечному профилю инструмента.

Ультразвуковая обработки применяется при изготовления деталей сложной формы из стекла, флюорита, кварца, фильер из технических алмазов, твердосплавных матриц сложной формы, при обработке полупроводниковых материалов – германия и кремния.

5. Электроннолучевая обработка

Электроннолучевая обработка материалов основана на способности электронного пучка с большим КПД превращать свою кинетическую энергию в тепловую. Этим методом производят сварку, а также обработку тонких отверстий и пазов (порядка микрометров) в труднообрабатываемых материалах. Обработка осуществляется в вакууме (для того, чтобы электроны не тормозились о молекулы воздуха). В безвоздушной камере образуется импульсный электронный луч с частотой от 1 до 3000 Гц и временем импульсов от 0,01 до 0,00005 сек, при скорости электронов 115 – 165 мм/сек. Температура в зоне обработки достигает 6000 градусов.

Электронный луч является прерывистым для ограничения зоны нагрева. Электромагнитные катушки-линзы фокусируют его на обрабатываемой детали до диаметра от 1 мм до нескольких микронов. Сфокусированный электронный луч может перемещаться по обрабатываемой детали по заданному контуру с помощью отклоняющей системы.

Существенным недостатком электроннолучевой обработки является необходимость обеспечения вакуума и защита обслуживающего персонала от рентгеновского излучения.