Восстановление деталей электроискровой обработкой (сущность, оборудование, достоинство, недостатки).

Промышленная обработка металлов включает в себя несколько десятков способов и методов изменения формы, объема и, даже молекулярной структуры материала. Электроискровая обработка металлов — одна из распространенных технологий работы с металлом, отличающаяся высокой точностью и производительностью. При помощи электроискровых станков можно:

• резать металл;
• сверлить отверстия микроскопического диаметра;
• наращивать дефектные области деталей;
• производить ювелирные работы с драгоценными металлами;
• упрочнять поверхность изделий;
• шлифовать изделия самой сложной формы;
• извлекать застрявшие сломанные сверла и резцы.

На базе электроискрового метода обработки металлов создано немало станков промышленного назначения. Это высокоточная и дорогая техника, которую могут позволить себе купить только крупные предприятия, специализирующиеся на металлообработке.

Электроискровой станок

Но иногда электроискровые станки требуются и в мастерских или цехах, где их услуги требуются время от времени. Для этого можно купить промышленное устройство с несколько ограниченными возможностями (функционал в пределах самых востребованных операций), или построить самодельный электроискровой станок. Это вполне возможно даже в домашних условиях, не говоря уже о предприятиях, в составе которых есть токарные и электромеханические цеха или участки.

Принцип работы электроискрового станка

Базируется обработка металлов электроискровым способом на свойстве электрического тока переносить вещество при пробое. При высоком напряжении и силе постоянного тока (1-60 А) анод (положительно заряженный электрод) нагревается до высокой температуры в пределах 10-15 тысяч градусов Цельсия, расплавляется, ионизируется и устремляется к катоду. Там, в силу электрических взаимодействий он осаживается.

Чтобы в процессе работы не возникала полноценная электрическая дуга, электроды сближаются только на короткие мгновения, длящиеся доли секунда. За это время возникает искра, разрушающая анод и наращивающая катод. Обрабатываемый участок подвергается нагреву и воздействию электротока на протяжении миллисекунд, при этом соседние области и лежащий ниже слой не успевают прогреться и структура их не нарушается. Проблема пограничных состояний не возникает в принципе.

Если требуется резка или сверление — катодом служит рабочий инструмент, а анодом — обрабатываемая деталь. При наращивании, укреплении поверхности или восстановлении формы детали, они меняются местами. Для этих видов обработки созданы специальные станки, каждый из которых выполняет свои операции.

Инструментом в установках электроэрозионного действия служат латунные или медно-графитные электроды, хорошо проводящие ток и недорогие в изготовлении. С их помощью можно резать и сверлить самые твердые сплавы. Чтобы металл катода не оседал на электроде и не увеличивал его размера, процесс происходит в жидкой среде — жидкость охлаждает капли расплава, и он не может осесть на электроде, даже если и достигает его. Вязкость жидкости определяет скорость движения материальных частиц, и они не успевают за током. Металл оседает в ванне в виде осадка и не мешает дальнейшему прохождению тока.

При наращивании поверхности деталей или укреплении, металл с анода переносится на катод. В этом случае на вибрационной установке закрепляется положительный электрод, служащий донором металла, а деталь присоединяется к отрицательному полюсу. Вода или масло в этом процессе не используются, все происходит в воздухе.

Электроискровая обработка материала.

Электроискровая обработка заключается в использовании явления электролитической эрозии и переносе металла инструмента на наращиваемую поверхность детали при прохождении искровых разрядов между ними.

В электрических установках (рубильниках, контакторах, выключателях) в моменты замыкания и размыкания электрической цепи образуются искры, которые постепенно разрушают поверхность контактов. Это явление называется электрической эрозией. Особенно сильная эрозия наблюдается в цепях постоянного тока. Объясняется это тем, что между электродами, находящимися под напряжением, происходит ионизация воздуха, и тем самым создается узкий канал, проводящий ток. Электронная лавина (в виде искры), пробивая воздушный промежуток, переносит значительное количество электричества в очень короткий промежуток времени с катода на анод. При этом происходит нагрев небольшой части поверхности анода до очень высокой температуры (10 000°С…15 000°С), что приводит к расплавлению и даже испарению металла, который выбрасывается из искрового промежутка в виде жидких капель.

Рассмотрим электроискровую обработку (рис. 1). Обрабатываемая деталь является в электрической цепи анодом, а инструмент — катодом. Для того чтобы капельки металла не наращивались на инструменте и не изменяли его формы, процесс обработки ведут в жидкой среде (масло, керосин), не проводящей электрический ток. Инструмент закреплен в ползуне, совершающем вертикальные движения вверх-вниз с помощью соленоидного регулятора. Электрическая цепь состоит из источников постоянного тока, сопротивления, регулирующего напряжение и силу тока, и конденсатора, препятствующего превращению искры в электрическую дугу. Когда электрод опускается настолько, что между ним и изделием образуется небольшой зазор, проскакивает электрическая искра и происходит эрозия изделия. Затем электрод немного приподнимается, и цикл обработки, длящийся доли секунды, повторяется.

Рис. 1. Схема электроискровой обработки (прошивки) 1 — соленоид; 2 — источник тока; 3 — сопротивление; 4 — конденсатор; 5 — деталь; 6 — жидкая среда (масло, керосин); 7 —инструмент; 8 — ползун

Рис. 2. Схема установки электроискрового наращивания металла 1— переключатель; 2 — трансформатор; 3— выпрямитель; 4— конденсатор; 5 —вибратор; 6 — обрабатываемая деталь

Электрод изготовляют из мягкой латуни или медно-графитовой массы, которым легко можно придавать любые формы и размеры. Этим методом можно обрабатывать как мягкие, так и самые твердые металлы (закаленные стали, твердые сплавы и т. п.).

Технологические показатели электроискровой обработки металлов зависят от применяемого режима в виде обработки. Так, при прошивке на жестком режиме (напряжение 150…200 В, сила тока короткого замыкания 10…60 А и емкость конденсатора 400…600 мкВ) можно получить чистоту, поверхности I и II классов, а объем металла 150…300 мм3/мин; при прошивке на мягком режиме (напряжение 25…40 В, сила тока 0,1…1 А и емкость конденсатора до 10 мкФ) можно достичь чистоты поверхности, соответствующей VI и VII классам, однако съем металла в этом случае составит менее 20 мм3/мин.

Электроискровая обработка металлов применяется для прошивки отверстий различной формы и размеров, извлечения остатков сломанного инструмента и крепежных деталей из изделий, поверхностного упрочнения и наращивания слоя металла при небольших износах.

Электроискровое наращивание (рис. 69) позволяет наносить покрытия из любых металлов и сплавов независимо от их твердости. Это, а также низкая температура детали при обработке создают благоприятные условия для наращивания слоя металла на изношенных, закаленных поверхностях. Электроискровым наращиванием восстанавливают шейки осей опорных катков, посадочные места под подшипники на валах, стаканы подшипников, шейки под подшипники на осях и другие аналогичные поверхности деталей в неподвижных и переходных посадках.

При соприкосновении электрода (анода), закрепленного в зажимах вибратора, с поверхностью детали (катода) образуется искровой разряд, который переносит металл с анода на катод. Перенос металла протекает в воздухе и в отличие от установок для прошивочных работ не требует применения рабочих жидкостей и ванн.

Износостойкость и усталостная прочность деталей машин, упрочненных электроискровым способом, в значительной степени зависит от применяемых режимов и упрочняющего материала.

Для электроискрового наращивания металла на детали используют установки УПР-ЗМ, ЭФИ-25.

Технологические показатели

Электроискровая установка, в зависимоти от режима роботы, может обеспечивать точность результата в широких пределах. Если требуется высокая производительность при относительно невысоких требованиях к состоянию поверхности (I и II класс), то используются токи 10-60 А при напряжении до 220В. В этом случае электроискровая эрозия может удалить из зоны реза или сверления металл в объеме до 300 мм3/мин. При более высоких показателях класса точности — VI и VII, производительность снижается до 20-30 мм3/мин, но и токи требуются поменьше, не более 1 А при напряжении до 40 В.

Такой широкий диапазон регулировок показывает, что электроискровая обработка металла может использоваться в различных областях, как для производства крупных серий деталей, так и для разовых работ, включая ювелирные.

Особенностью применения электроискровых установок можно считать возможность укрепления деталей различной конфигурации. На поверхность заготовки наноситься тончайший слой более прочного сплава или металла без нагрева основания на большую глубину. Это позволяет сохранить структуру металла базового изделия и значительно изменить свойства его поверхности. В некоторых случаях требуется вязкость основания и высокая твердость поверхности, или в обратном порядке. Решить эту задачу может только электроискровой станок.

Схема электроискрового станка

Обработки металлов электроискровым способом очень распространена, поэтому очень сложно рассмотреть все виды оборудования и модели конкретных установок. Они все объединены общими конструктивными элементами:

• источником постоянного тока;
• конденсатором;
• вибратором;
• переключателем режимов.

Конструкция, работающая в электроискровом режиме, может отличаться рядом характеристик, допускающих работу с тем или иным материалом, но общие принципы построения рабочей схемы одинаковы.

Батарея конденсаторов согласована с механическим движением электрода, разряд происходит в момент максимального сближения рабочих поверхностей. Релаксационные генераторы импульсов определяют максимальный заряд конденсатора при максимальной амплитуде отклонения от точки сближения. После искрового разряда конденсатор успевает зарядиться в полном объеме.

Электроискровой станок своими руками

Одной из главных деталей электроискровой установки, которую можно реализовать своими руками, конечно, при соблюдении всех правил техники безопасности, приведена ниже. Следует отметить, что это только одна из многих схем, которые можно использовать в конструкции станка.

Ориентировочная схема генератора искровых разрядов

Рабочий стол станка должен быть оборудован системой удаления окислов (непрерывной подачей масла или керосина). Они снижают вероятность отложения оксидной пленки на поверхности детали и, в результате, прекращения искрообразования. Для пробоя необходим надежный электрический контакт. Как основной вариант можно использовать ванночку, заполненную жидкостью.

Электрод представляет собой латунную или медную проволочку требуемого диаметра, которая закреплена в зажиме. Зажим, в свою очередь, представляет собой деталь вертикального штока кривошипно-шатунного механизма, который приводится в движение от электродвигателя. Частота возвратно-поступательного движения электрода выбирается в зависимости от особенностей обрабатываемого материала.

Все токопроводящие детали и кабели должны быть качественно и надежно изолированы, сама установка заземлена. Посмотреть, как работают бытовые самодельные установки можно на видео:

Следует отметить, что самодельные станки никогда не сравняются по возможностям с промышленными, например серией АРТА. Для производства кустарных изделий или использования в качестве одного из видов хобби, они, может быть и пригодны, но для работы в мастерской или слесарном цехе не «дотягивают». Не говоря уже о том, что сложность электрической схемы и необходимость точного согласования кинематики и разряда конденсатора делают их очень сложными в регулировке.

Электролитический метод наращивания

Восстановление деталей электролитическим методом наращивания заключается в осаждении металла из водного раствора на детали. Электролитическое наращивание применяют для повышения износостойкости и коррозионной стойкости детали, восстановления размеров деталиРемонт систем трубопроводов и арматуры судна и для декоративных целей.

При ремонте деталей применяют:

• хромирование;
• осталивание;
• меднение и дру­гие покрытия.

Хромирование используют как при ремонте деталей механизмов, так и при изготовлении новых деталей. Хромовые покрытия бывают гладкие и пористые. Гладкий твердый хром обладает ценными физико-механическими свойствами. Пористое же хромирование применяют с целью повышения износостойкости судовых деталей, работающих в условиях недостаточной смазки.

Сухогруз Kkaye E. Barker, озеро Мичиган

Износостойкость чугуна, покрытого гладким хромом, повышается в 4—7 раз, а покрытого пористым хромом — в 30—150 раз. Для устранения пористости, ограничивающей применение хромовых покрытий для судовых деталей, работающих в коррозионной среде, применяют комбинированное покрытие, на нанесенные слои меди, кадмия или никеля либо последовательно меди и никеля наносят слой хрома.

Толщина откладываемого слоя хрома колеблется в пределах 15—30 мкм. Хромированием восстанавливают детали, имеющие небольшой износ, так как толщина хромового покрытия практически лежит в пределах 0,05—0,3 мм на сторону. При большой толщине покрытий прочность хромированного слоя уменьшается, хромирование становится экономически невыгодным. Процесс хромирования состоит из следующих операций.

Восстанавливают геометрию детали:

• проточкой;
• шлифовкой;
• полировкой.

Для электролитического полирования применяют электролиты различного состава:

• смесь серной, фосфорной и хромовых кислот;
• смесь серной и лимонной кислот;
• смесь различных минеральных кислот и глицерина.

Обезжиривают деталь в электрических ваннах с электролитом (30—50 г едкого натра на 1 л воды). Для ускорения процесса обезжиривания рекомендуется добавка силиката натрия (жидкое стекло) в количестве 0,5—1 г/л. Процесс электролитического обезжиривания длится 2—3 мин. Промывают детали в горячей воде и в проточной.

При этом деталь подвергают декапированию с целью удаления оксидных пленок, могущих образоваться в процессе подготовки детали к хромированию. Декапирование заключается в легком протравлении поверхности детали в 2—3%-ном растворе серной кислоты. При температуре раствора 18—20°С деталь выдерживают 4—5 мин для выравнивания ее температуры с температурой электролита.

Сухогруз Edgar B. Speer, озеро Мичиган

Наибольшее распространение получило анодное декапирование, заключающееся в том, что деталь, помещенная в ванну для нагрева ее до температуры ванны и являющаяся анодом, выдерживается в течение 30—50 с под током плотностью 20—26 А/дм2. Декапируют непосредственно перед хромированием. Обычно поверхности деталей, не подлежащих хромированию, покрывают лаками.

Предлагается к прочтению: Виды и организация ремонта судов

Хромирование проводят в железных ваннах с двойными стенками, пространство между которыми заполняется горячей водой для регулирования постоянства температуры электролита в ванне. В ванну наливают воду, нагревают ее до температуры 70°С, вводят компоненты электролита, подключают постоянный ток напряжением 6—12 В. Для выравнивания концентрации электролита деталь, закрепленную на подвеске, 3—4 раза окунают в раствор, а затем подвешивают на катодную штангу.

Плотность тока при хромировании 20—50 А/дм2, а продолжительность зависит от толщины покрытия, состава электролита, режима работы ванны. Анодом при хромировании служат свинцовые пластины, располагаемые концентрично относительно детали и имеющие поверхность в 2 раза более, чем поверхность хромируемой детали.

После хромирования деталь подвергают анодной обработке с целью по­лучения пористой поверхности при плотности тока 25—35 А/дм2 и при температуре 30—40°С в течение 10—20 мин. Затем произво­дят промывку детали холодной и горячей водой.

Осталивание — процесс электролитического осаждения желез­ных покрытий из водных растворов хлористого FeCl24H2О или сернокислого FeSO47H2O железа. Электролитическое осаждение железа из водных растворов солей было получено академиками Б. С. Якоби, Е. И. Клейманом и Э. X. Ленцем в 1868—1870 гг. При прохождении постоянного тока через раствор солей ионы железа разряжаются на катоде (детали), таким образом катод покрывается слоем железа. Анод растворяется, а его ионы попадают в раствор.

На. рис. 3 показана схема установки для осталивания деталей, которая состоит из ванны с электролитом 1, кольцевого анода 2, подвески 3 для крепления детали, подлежащей покрытию, термометра 4 для контроля температуры электролита, генератора 5, электрической спирали для нагрева ванны 6, реостата 7.

Рис. 3 Схема установки для осталивания деталей

Осталивание — менее сложный и более дешевый процесс, чем хромирование. Например, выход по току при осталивании достигает 70—90%, плотность тока 10—20 А/дм2, толщина осадка в час при применяемой плотности тока 0,013—0,26 мм. Толщина слоя железа при мягком осталивании (140—225 НВ) — более 3 мм, при твердом покрытии (225—600 НВ) — до 2 мм. Покрытия низкой твердости применяют для восстановления нетрущихся поверхностей деталей, наружных поверхностей бронзовых втулок верхней головки шатуна, вкладышей и др.

Технология осталивания следующая:

• деталь очищают от грязи;
• промывают в бензине;
• зачищают места покрытия наждачной бумагой или пескоструйным способом;
• изолируют не подлежащие покрытию участки перхлорвиниловым лаком или резиной;
• мон­тируют деталь на подвесках;
• обезжиривают известью;
• промывают холодной проточной водой;
• пассивируют в специальном электро­лите при плотности тока 10—40 А/дм2 в течение 2—5 мин;
• промы­вают горячей водой;
• загружают в ванну с электролитом и подог­ревают раствор.

Вынув из ванны деталь:

• промывают горячей водой;
• нейтрализуют в щелочном растворе;
• промывают горячей водой;
• демонтируют подвески;
• удаляют изоляцию;
• осуществляют старение;
• механически обрабатывают.

При введении в хромовый электролит ионов кадмия получается покрытие, обладающее:

• твердостью;
• износостойкостью;
• полным отсутствием пористости.

Сухогруз American Integrity Источник: www.shipspotting.com
Хромокадмиевое покрытие, в частности, применяется для рабочих шеек гребных валов и стальных облицо­вок.

Меднение осуществляют для повышения защитно-декоративных свойств стальных деталей. В этом случае используют многослойные покрытия, медь—никель или медь—никель—хром. Медь откладывается на подслой никеля. В судоремонте для меднения применяют сернокислые электролиты. В качестве анодов применяют электролитическую медь.

Никелирование стальных деталей производят для повышения их защитно-декоративных свойств. Никель защищает основной металл от коррозии. Иногда никелевые покрытия вследствие их значительной твердости используются как износостойкие. При нанесении никелевого покрытия должна быть обеспечена шероховатость поверхности детали не менее Rz = 80 ÷ 20 мкм. Под блестящее никелирование, при котором не требуется точных размеров, деталь полируют, а детали, имеющие точные размеры, обрабатывают под Ra = 0,32 ÷ 0,16 мкм.