П. Г. Костюк.
Электрофизические и электрохимические методы обработки
Электрофизи'ческие и электрохими'ческие ме'тоды обрабо'тки,общее название методов обработки конструкционных материалов непосредственно электрическим током, электролизом и их сочетанием с механическим воздействием. В Э. и э. м. о. включают также методы ультразвуковые, плазменные и ряд других методов. С разработкой и внедрением в производство этих методов сделан принципиально новый шаг в технологии обработки материалов - электрическая энергия из вспомогательного средства при механической обработке (осуществление движения заготовки, инструмента) стала рабочим агентом. Всё более широкое использование Э. и э. м. о. в промышленности обусловлено их высокой производительностью, возможностью выполнять технологические операции, недоступные механическим методам обработки. Э. и э. м. о. весьма разнообразны и условно их можно разделить на электрофизические (электроэрозионные, электромеханические, лучевые), электрохимические и комбинированные ( рис. 1 ).
Электрофизические методы обработки
Электроэрозионная обработкаоснована на вырывании частиц материала с поверхности импульсом электрического разряда. Если задано напряжение (расстояние) между электродами, погруженными в жидкий диэлектрик, то при их сближении (увеличении напряжения) происходит пробой диэлектрика - возникает электрический разряд, в канале которого образуется плазма с высокой температурой.
Т. к. длительность используемых в данном методе обработки электрических импульсов не превышает 10 -2 сек,выделяющееся тепло не успевает распространиться в глубь материала и даже незначительной энергии оказывается достаточно, чтобы разогреть, расплавить и испарить небольшое количество вещества. Кроме того, давление, развиваемое частицами плазмы при ударе об электрод, способствует выбросу (эрозии) не только расплавленного, но и просто разогретого вещества. Поскольку электрический пробой, как правило, происходит по кратчайшему пути, то прежде всего разрушаются наиболее близко расположенные участки электродов. Т. о., при приближении одного электрода заданной формы (инструмента) к другому (заготовке) поверхность последнего примет форму поверхности первого ( рис. 2 ). Производительность процесса, качество получаемой поверхности в основном определяются параметрами электрических импульсов (их длительностью, частотой следования, энергией в импульсе). Электроэрозионный метод обработки объединил электроискровой и электроимпульсный методы.
Электроискровая обработка была предложена советскими учёными H. И. и Б. Р. Лазаренко в 1943. Она основана на использовании .При этом в канале разряда температура достигает 10000 °С, развиваются значительные гидродинамические силы, но сами импульсы относительно короткие и, следовательно, содержат мало энергии, поэтому воздействие каждого импульса на поверхность материала невелико. Метод позволяет получить хорошую поверхность, но не обладает достаточной производительностью. Кроме того, при этом методе износ инструмента относительно велик (достигает 100% от объёма снятого материала). Метод используется в основном при прецизионной обработке небольших деталей, мелких отверстий, вырезке контуров. твердосплавных штампов проволочным электродом (см. ниже).
Электроимпульсная обработка основана на использовании импульсов .Предложена советским специалистом М. М. Писаревским в 1948. Этот метод стал внедряться в промышленность в начале 1950-х гг. В отличие от искрового, дуговой разряд имеет температуру плазмы ниже (4000-5000°С), что позволяет увеличивать длительность импульсов, уменьшать промежутки между ними и т. о. вводить в зону обработки значительные мощности (несколько десятков квт) ,т. е. увеличивать производительность обработки. Характерное для дугового разряда преимущественно разрушение катода приводит к тому, что износ инструмента (в этом случае он подключается к аноду) ниже, чем при электроискровой обработке, составляя 0,05-0,3% от объёма снятого материала (иногда инструмент вообще не изнашивается). Более экономичный электроимпульсный метод используется в основном для черновой обработки и для трёхкоординатной обработки фасонных поверхностей. Оба метода (электроискровой и электроимпульсный) дополняют друг друга.
Электроэрозионные методы особенно эффективны при обработке твёрдых материалов и сложных фасонных изделий. При обработке твёрдых материалов механическими способами большое значение приобретает износ инструмента. Преимущество электроэрозионных методов (как и вообще всех Э. и э. м. о.) состоит в том, что для изготовления инструмента используются более дешёвые, легко обрабатываемые материалы. Часто при этом износ инструментов незначителен. Например, при изготовлении некоторых типов штампов механическими способами более 50% технологической стоимости обработки составляет стоимость используемого инструмента. При обработке этих же штампов электроэрозионными методами стоимость инструмента не превышает 3,5%. Условно технологические. приёмы электроэрозионной обработки можно разделить на прошивание и копирование. Прошиванием удаётся получать отверстия диаметром менее 0,3 мм,что невозможно сделать механическими методами. В этом случае инструментом служит тонкая проволочка. Этот приём на 20-70% сократил затраты на изготовление отверстий в фильерах, в том числе алмазных. Более того, электроэрозионные методы позволяют изготовлять спиральные отверстия. При копировании получила распространение обработка ленточным электродом ( рис. 3 ). Лента, перематываясь с катушки на катушку, огибает копир, повторяющий форму зуба. На грубых режимах лента «прорезает» заготовку на требуемую глубину, после чего вращением заготовки щель расширяется на нужную ширину. Более распространена обработка проволочным электродом (лента заменяется проволокой). Этим способом, например, можно получать из единого куска материала одновременно пуансон и матрицу штампа, причём их соответствие практически идеально. Возможности электроэрозионной обработки при изготовлении деталей сложной формы видны из рис. 4а, б . Другие её разновидности: размерная обработка, упрочнение инструмента, получение порошков для порошковой металлургии и др. См. также .
Первый в мире советский электроэрозионный (электроискровой) станок был предназначен для удаления застрявшего в детали сломанного инструмента (1943). С тех пор в СССР и за рубежом выпущено большое число разнообразных по назначению, производительности и конструкции электроэрозионных станков. По назначению (как и ) различают станки универсальные, специализированные (см., напр., рис. 5 ) и специальные, по требуемой точности обработки - общего назначения, повышенной точности, прецизионные. Общими для всех электроэрозионных станков узлами являются устройство для крепления и перемещения инструмента (заготовки), гидросистема, устройство для автоматического регулирования межэлектродного промежутка (между заготовкой и инструментом). Генераторы соответствующих импульсов (искровых или дуговых) изготовляются, как правило, отдельно и могут работать с различными станками. Основные отличия устройств для перемещения инструмента (заготовки) в электроэрозионных станках от таковых в металлорежущих станках - отсутствие значительных силовых нагрузок и наличие электрической изоляции между электродами. Гидросистема состоит из ванны с рабочей жидкостью (технического масла, керосин и т. п.), гидронасоса для прокачивания жидкости через межэлектродный промежуток и фильтров для очистки жидкости, поступающей в насос, от продуктов эрозии.
Электроимпульсный станок отличается от электроискрового практически только генератором импульсов. Советская промышленность выпускает генераторы различного назначения. Развитие техники полупроводниковых приборов позволило создать генераторы, обеспечивающие изменение параметров импульсов в широких пределах. Например, у советского генератора ШГИ-125-100 диапазон частот следования импульсов 0,1-100 кгц,длительность импульсов 3-9000 мксек,максимальная мощность 7,5 квт,номинальная сила тока 125 а.Диапазон рабочих напряжении, вырабатываемых для электроискровой обработки, - 60-200 в,а для электроимпульсной - 20-60 в.Современные электроэрозионные станки - высокоавтоматизированные установки, зачастую работающие в полуавтоматическом режиме.
Электромеханическая обработкаобъединяет методы, совмещающие одновременное механическое и электрическое воздействие на обрабатываемый материал в зоне обработки. К ним же относят методы, основанные на использовании некоторых физических явлений (например, гидравлический удар, ультразвук и др.).
Электроконтактная обработка основана на введении в зону механической обработки электрической энергии - возбуждении мощной дуги переменного или постоянного тока (до 12 капри напряжении до 50 в) между, например, диском, служащим для удаления материала из зоны обработки, и изделием ( рис. 6 ). Применяется для обдирки литья, резки и других видов обработки, аналогичных по кинематике движений почти всем видам механической обработки. Преимущества метода - высокая производительность (до 10 6 мм 3 /мин) на грубых режимах, простота инструмента, работа при относительно небольших напряжениях, низкие удельные давления инструмента - 30-50 кн/м 2(0,3- 0,5 кгс/см 2) и, как следствие, возможность использования для обработки твёрдых материалов инструмента, изготовленного из относительно мягких материалов. Недостатки - большая шероховатость обработанной поверхности, тепловые воздействия на металл при жёстких режимах.
Разновидностью электроконтактной обработки является электроабразивная обработка - обработка (в т. ч. алмазно-абразивным), изготовленным на основе проводящих материалов. Введение в зону обработки электрической энергии значительно сокращает износ инструмента.
Электроконтактные станки по кинематике не отличаются практически от соответствующих металлорежущих станков; имеют мощный источник тока.
Магнитоимпульсная обработка применяется для пластического деформирования металлов и сплавов (обжатие и раздача труб, формовка трубчатых и листовых заготовок, калибровка и т. п.) и основана на непосредственном преобразовании энергии меняющегося с большой скоростью магнитного поля, возбуждаемого, например, при разряде батареи мощных конденсаторов на индуктор, в механическую работу при взаимодействии с проводником (заготовкой) ( рис. 7 ). Преимущества метода - отсутствие движущихся и трущихся частей в установках, высокая надёжность и производительность, лёгкость управления и компактность, наличие лишь одного инструмента - матрицы или пуансона (роль другого выполняет поле) и др.: недостатки - относительно невысокий кпд, затруднительность обработки заготовок с отверстиями или пазами (мешающими протеканию тока) и большой толщины.
Электрогидравлическая обработка (главным образом штамповка). Основана на использовании энергии при мощном электрическом (искровом) разряде в жидком диэлектрике ( рис. 8 ). При этом необходимо вакуумирование полости между заготовкой и матрицей, поскольку из-за огромных скоростей движения заготовки к матрице воздух не успевает уйти из полости и препятствует плотному прилеганию заготовки к матрице. Метод прост, надёжен, но обладает небольшим кпд, требует высоких электрических напряжений и не всегда даёт воспроизводимые результаты.
К электромеханической обработке относится также .
Лучевая обработка. К лучевым методам обработки относится обработка материалов электронным пучком и световыми лучами (см.
)
.Электроннолучевая обработка осуществляется потоком электронов высоких энергий (до 100
кэв)
.Таким путём можно обрабатывать все известные материалы (современная
позволяет концентрировать электронный пучок на весьма малой площади, создавать в зоне обработки огромные плотности мощности). Электроннолучевые станки могут выполнять резание (в т. ч. прошивание отверстий) и сварку с большой точностью (до 50
). Основой электроннолучевого станка является
.Станки имеют также устройства контроля режима обработки, перемещения заготовки, вакуумное оборудование. Из-за относительно высокой стоимости, малой производительности, технической сложности станки используются в основном для выполнения прецизионных работ в микроэлектронике, изготовления фильер с отверстиями малых (до 5
мкм)
диаметров, работ с особо чистыми материалами.
К электрофизическим методам обработки относится также .
Электрохимические методы обработки
Основаны на законах .По используемым принципам эти методы разделяют на анодные и катодные (см. ) ,по технологическим возможностям - на поверхностные и размерные.
Поверхностная электрохимическая обработка.Практическое использование электрохимических методов началось с 30-х гг. 19 в. (гальваностегия и гальванопластика, см. ) .Первый патент на электролитическое полирование был выдан в 1910 Е. И. .Суть метода состоит в том, что под действием электрического тока в электролите происходит растворение материала анода (анодное растворение), причём быстрее всего растворяются выступающие части поверхности, что приводит к её выравниванию. При этом материал снимается со всей поверхности, в отличие от механического полирования, где снимаются только наиболее выступающие части. Электролитическое полирование позволяет получить поверхности весьма малой шероховатости. Важное отличие от механического полирования - отсутствие каких-либо изменений в структуре обрабатываемого материала. См. статьи , .
Размерная электрохимическая обработка.К этим методам обработки относят анодно-гидравлическую и .
Анодно-гидравлическая обработка впервые была применена в Советском Союзе в конце 20-х гг. для извлечения из заготовки остатков застрявшего сломанного инструмента. Скорость анодного растворения зависит от расстояния между электродами: чем оно меньше, тем интенсивнее происходит растворение. Поэтому при сближении электродов поверхность анода (заготовка) будет в точности повторять поверхность катода (инструмента). Однако процессу растворения мешают продукты электролиза, скапливающиеся в зоне обработки, и истощение электролита. Удаление продуктов растворения и обновление электролита осуществляются либо механическим способом (анодно-механическая обработка), либо прокачиванием электролита через зону обработки ( рис. 9 ).
Этим методом, подбирая электролит, можно обрабатывать практически любые токопроводящие материалы, обеспечивая высокую производительность в сочетании с высоким качеством поверхности. Используемые для анодно-гидравлической обработки электрохимические станки просты в обращении, используют низковольтное (до 24 в) электрооборудование. Однако значительные плотности тока (до 200 а/см 2) требуют мощных источников тока, больших расходов электролита (иногда до 1/ 3площади цехов занимают баки для электролита).
Комбинированные методы обработки сочетают в себе преимущества электрофизических и электрохимических методов. Используемые сочетания разнообразны. Например, сочетание анодно-механической обработки с ультразвуковой в некоторых случаях повышает производительность в 20 раз. Существующие электроэрозионно-ультразвуковые станки позволяют использовать оба метода как раздельно, так и вместе.
Лит.:Вишницкий А. Л., Ясногородский И. 3., Григорчук И. П., Электрохимическая н электромеханическая обработка металлов, Л., 1971; Электрофизические и электрохимические методы размерной обработки материалов, М., 1971; Черепанов Ю. П., Самецкий Б. И., Электрохимическая обработка в машиностроении, М., 1972; Новое в электрофизической и электрохимической обработке материалов, Л., 1972.
Д. Л. Юдин.
Рис. 5. Электроэрозионный станок для извлечения обломков свёрл из глубоких отверстий в коленчатых валах.
Рис. 2. Схема электроэрозионного метода обработки: 1 - инструмент; 2 - заготовка; 3 - жидкий диэлектрик; 4 - электрические разряды.
Рис. 7. Схема магнитоимпульсной обработки: 1 - индуктор; 2 - заготовка. Пунктиром показаны магнитные силовые линии; жирными стрелками - механические силы.
Рис. 3. Схема обработки пазов ленточным электродом: 1 - лента; 2 - катушки; 3 - копир; 4 - заготовка.
Рис. 9. Схема анодно-гидравлической обработки поверхности турбинной лопатки подвижными электродами: 1 - лопатка; 2 - электроды; 3 - электролит. Стрелками показано направление движения электродов и электролита.
Рис. 8. Схема устройства для электрогидравлической штамповки: 1 - электроды; 2 - заготовка; 3 - вакуумная полость матрицы; 4 - матрица; 5 - рабочая жидкость.
Рис. 4б. Рабочее колесо газовой турбины, обработанное электроэрозионным методом.
Рис. 6. Принципиальная схема электроконтактной обработки: 1 - заготовка; 2 - диск; 3 - источник питания.
Рис 4. Половина ковочного штампа.
Рис. 1. Классификация основных электрофизических и электрохимических методов обработки.
Электрофон
Электрофо'н(от и ) ,бытовое устройство для воспроизведения звука с ;в принципиальном отношении отличается от тем, что в Э. механические колебания иглы преобразуются в электрические колебания; последние усиливаются усилителем звуковых частот и затем преобразуются в звук электроакустической системой (включающей 1 или несколько ) .Э. рассчитан на воспроизведение моно-, стерео- или квадрафонической грамзаписи. Качественные показатели Э., а также удобства его использования определяются классом Э. Например, выпускаемые в СССР Э. в соответствии с ГОСТом, устанавливающим их основные технические характеристики (диапазон воспроизводимых частот, коэффициент нелинейных искажений и т. д.), подразделяются на Э. высшего, 1-го, 2-го и 3-го классов. Современные Э. высшего класса создают звучание, в котором слушатель совершенно не ощущает помех и различных искажений, возникающих при воспроизведении грамзаписи, и обеспечивают максимальные удобства эксплуатации.
Лит.:Аполлонова Л. П., Шумова Н. Д., Механическая звукозапись, М. - Л., 1964; ГОСТ 11157-74. Электрофоны. Общие технические условия. М., 1974.
С. Л. Мишенков.
Электрофон высшего класса типа «Феникс-001» (СССР). Обеспечивает электроакустическое воспроизведение стерео- и монофонической грамзаписей. Основные технические характеристики: номинальный диапазон воспроизводимых частот 40-18000 гц; коэффициент нелинейных искажений на частоте 1000 гцне более 1%; номинальная выходная мощность 2х15 вт; частота вращения диска 45; 331/3 мин -1.
Электрофорез
Электрофоре'з(от и греч. phoresis - несение, перенесение), направленное движение коллоидных частиц или макроионов под действием внешнего электрического поля. Э. был открыт Ф. Ф. в 1807 и считается важнейшей разновидностью .Скорость u движущихся частиц приближённо связана с напряжённостью электрического поля Еуравнением Смолуховского:
где h - вязкость среды, D -диэлектрическая проницаемость, x - .Э. используют в электрохимии для изучения ,адсорбции ионов на поверхности, в медицине (см. ) .В промышленности Э. используют для выделения каучука из латекса, очистки воды, отделения каолина от песка и др. В биохимии Э. служит для анализа, разделения и очистки биополимеров (главным образом белков), бактериальных клеток, вирусов, а также аминокислот, витаминов и др. Практическое применение Э. началось после создания шведским учёным А. Тиселиусом специального аппарата для фронтального (или свободного) Э. белков в растворе (1937). Наиболее широкое распространение нашли электрофоретические методы с использованием инертных носителей (бумаги, гелей и др.), получившие общее название зонального Э., т. к. фракции разделяемых веществ образуют в толще носителя отдельные, несмешивающиеся зоны. Э. часто сочетают с другими методами разделения биоорганических соединений (например, с хроматографией). Разработана техника концентрирования электрофоретических зон биополимеров в гелях, значительно повышающая разрешающую способность метода (диск-Э.). Применение реакции антиген-антитело в сочетании с Э. послужило основой для создания метода иммуно-Э. Электрофоретический анализ биологических жидкостей, например сыворотки крови для исследования главным образом белков, широко используют в диагностике многих заболеваний.
Лит.:Ларский Э. Г., Методы зонального электрофореза, М., 1971; Духин С. С., Дерягин Б. В., Электрофорез, М., 1976.
Н. Н. Чернов.
Электрофорез лекарственный
Электрофоре'з лека'рственный(устаревшие название - ионогальванизация, ионофорез, ионотерапия), метод физиотерапии, заключающийся в одновременном воздействии на организм постоянного электрического тока и вводимых им (через кожу или слизистые оболочки) ионов лекарственных веществ. При Э. л. повышается чувствительность рецепторов к лекарственным веществам, которые полностью сохраняют свои фармакологические свойства. Основные особенности Э. л. - выраженное и продолжительное терапевтическое действие малых доз лекарственных веществ за счёт создания своеобразного кожного депо применяемых препаратов, а также возможность оказывать местное воздействие при некоторых патологических состояниях (например, при местных сосудистых расстройствах), затрудняющих поступление препарата в патологический очаг из крови. При Э. л. возможно одновременное применение нескольких лекарственных веществ. В ряде случаев для Э. л. используют также импульсный ток постоянного направления, что повышает лечебный эффект метода. Источники тока, а также правила проведения Э. л. такие же, как при .Для Э. л. оба электрода с прокладками, смоченными раствором лекарственного вещества, располагают на коже либо один из них помещают в полости носа, уха, во влагалище и др.; в некоторых случаях вместо прокладки используют ванночку с раствором лекарственного вещества, в которую опущен угольный электрод. Э. л. применяют при заболеваниях центральной и периферической нервной системы, опорно-двигательного аппарата, гинекологических заболеваниях и др.
Лит.:Улащик В. С., Теория и практика лекарственного электрофореза, Минск, 1976; Справочник по физиотерапии, М., 1976.
В. М. Стругацкий.
Электрофоретические покрытия
Электрофорети'ческие покры'тия,покрытия, формирующиеся на катоде вследствие коллоидных частиц и их .Электрофоретический метод нанесения покрытий широко применяют в технике, особенно для получения лакокрасочных покрытий.
Лит.:Дейнега Ю. Ф., Ульберг З. Р., Эстрела-Льопис В. Р., Электрофоретическое осаждение металлополимеров, К., 1976.
Электрофотографическое копирование
Электрофотографи'ческое копи'рование,электрографическое копирование, ксерография, один из наиболее распространённых процессов (в т. ч. увеличенных копий с микрофильмов), основанный на использовании эффекта некоторых полупроводниковых материалов, нанесённых на специальную бумажную, металлическую или другую основу, и их способности удерживать частицы красящего вещества с помощью электростатических сил. Принцип Э. к. запатентован в США в 1938; первые аппараты для Э. к. созданы в 1950. Широкое распространение метода Э. к. обусловлено высоким качеством копий, возможностью получения копий практически с любых оригиналов, высокой производительностью (свыше 7000 копий в 1 ч), а также возможностью изготовления для офсетных машин (см. , ) .В 70-х гг. разработаны способы Э. к., позволяющие получать многоцветные копии с тоновых оригиналов.
Различают Э. к. непосредственное (прямое, непереносное) и косвенное (или переносное). В первом случае копии получают непосредственно на ;во втором - с использованием промежуточного носителя информации - «посредника», которым служат полированный металлический лист (обычно алюминиевый), цилиндр или гибкая лента, покрытые слоем фотополупроводника (например, аморфным селеном, селенидом или сульфидом кадмия). На рис.