Нетрадиционная обработка: передовые технологии и применение

Нетрадиционная обработка (неконвенциональная, современные методы) — обработка с использованием электричества, тепла, света, электрохимической, химической, звуковой энергии и специальной механической энергии для удаления, деформирования, изменения свойств или напыления материалов.

Сверление, растачивание, резание, фрезерование и др. традиционные процессы выполняются режущим инструментом с острием. Традиционные методы устарели с развитием технологий, хотя остаются базой обработки.

Статья: определение, применение, схемы, характеристики, виды, работа, плюсы/минусы нетрадиционных методов обработки.

Что такое нетрадиционная обработка?

Метод преодоления недостатков традиционной обработки. Примеры: ультразвуковая, лазерная, водоструйная, абразивно-водоструйная, электронно-лучевая обработка и др.

Когда деталь изготавливается современными технологиями — это неконвенциональная/нетрадиционная/современная обработка. Методы позволяют обрабатывать сложные, микроповерхностные, маложесткие детали из металлов/неметаллов любой твердости, прочности, вязкости, хрупкости. Некоторые технологии для суперфиниш, зеркальной отделки, нанообработки (атомарного уровня) применяются одновременно.

Применение

Область применения огромна — разные типы для специфических задач. Основные сферы:

• Обработка форм и деталей со сложными отверстиями и полостями.
• Материалы с разными свойствами: твердые/хрупкие (твердые сплавы, закаленная сталь).
• Глубокие тонкие отверстия, сложные отверстия, глубокие канавки, узкие щели, тонкие срезы.
• Обработка твердых поверхностей, проектирование штампов. Неконвенциональные методы обрабатывают твердые металлы, недоступные традиционным методам.
• Сверление микроперфораций в форсунках топливных систем — автопром. Обработка шестерен.
• Сложные узоры на тонких листах — лазерная обработка.
• Разрезание хрупких материалов (стекло, керамика, кварц) — абразивно-струйная обработка.
• Изготовление режущего инструмента неконвенциональными методами.
• Авиация — сложные авиационные детали.

Характеристики

1. Материал инструмента может быть гораздо мягче материала детали.
2. Энергия (электрическая, электрохимическая, звуковая, световая) напрямую воздействует на материал.
3. Механические силы неявны, деталь редко испытывает механические и термические деформации — повышает точность и качество поверхности.
4. Методы можно комбинировать, создавая новые процессы — рост производительности и точности.
5. Почти каждый новый источник энергии открывает новый метод нетрадиционной обработки.

Виды нетрадиционных процессов обработки

Электроэрозионная обработка (ЭЭО / EDM):

Нетрадиционная технология обработки проводимых материалов электроэрозией от импульсных разрядов между двумя полюсами в рабочей жидкости. Основное оборудование — электроэрозионный станок. Особенности:

• Обработка без режущих усилий;
• Нет дефектов: заусенцев, следов инструмента, канавок;
• Обработка труднобрабатываемых материалов и сложных форм;
• Инструмент-электрод не обязан быть тверже детали;
• Простая автоматизация;
• В некоторых случаях метастатичный слой после обработки требует удаления;
• Сложно бороться с дымом/загрязнением рабочей жидкости.

Применение ЭЭО:

• Сложные отверстия и полости в формах и деталях;
• Твердые/хрупкие материалы: твердые сплавы, закаленная сталь;
• Тонкие глубокие отверстия, криволинейные, глубокие канавки, узкие щели, тонкие срезы;
• Резьба/измерительный инструмент: резаки, эталонные пластины, кольцевые гайки.

Схема ЭЭО:

Электролитическая обработка:

Деталь получает заданную форму/размер по принципу анодного растворения в электролите с формованным катодом. Преимущества для труднобрабатываемых материалов, сложных форм, тонкостенных изделий. Резьба стволов, лопатки, импеллеры, формы, профильные отверстия, фаска, снятие заусенцев. Занимает значимое, часто незаменимое место в обработке многих изделий.

Преимущества:

• Широкая область: почти все проводящие материалы без ущерба механическим/физическим свойствам (прочность, твердость, вязкость), металлографическая структура почти не меняется. Часто для твердых сплавов, жаропрочных сплавов, закаленной стали, нержавейки, других труднобрабатываемых материалов.
• Высокая производительность.
• Отличное качество, особенно поверхности.
• Можно обрабатывать деформируемые детали и тонкие стенки.
• Нет контакта инструмента с деталью, нет механических сил, нет остаточных напряжений/деформаций, нет заусенцев/вспышек.

Недостатки:

• Низкая точность и скорость обработки.
• Дорого. Меньше партия — выше издержки на единицу.

Схема электролитической обработки:

Лазерная обработка

Лазер фокусируется линзой, создает высокую плотность энергии в фокусе, расплавляет/испаряет материал, удаляет за очень короткое время. Преимущества: мало отходов, визуальный эффект затрат в серийном производстве, гибкость к объекту резки. Лазерную сварку в Европе используют для уникальных материалов: кузова авто, крылья самолетов, фюзеляжи космических кораблей.

Лазерная сварка, резка, модификация поверхности, маркировка, сверление, микрообработка, фотохимическое осаждение, стереолитография, гравировка — частые применения.

Схема лазерной обработки:

Электронно-лучевая обработка

Обработка тепловыми/ионизационными эффектами высокоэнергетического сфокусированного электронного пучка (EBM). Высокая плотность энергии, глубокое проникновение, широкий диапазон глубины расплава, большое отношение ширины шва к глубине, высокая скорость сварки, малая термозатронутая зона, малая деформация.

Разнообразные материалы, малая зона резания. Точность в нанометрах — молекулярный/атомный уровень. Высокая продуктивность, мало загрязнений, но высокая стоимость оборудования. Микроотверстия, узкие щели, сложные формы. Тонкая литография и сварка. Главное автопром: вакуумная электронно-лучевая сварка мостиков коробок.

Ионно-лучевая обработка

В вакууме ионный пучок от ионного источника ускоряется и фокусируется на поверхности детали. Точный контроль ионной плотности и энергии → ультраточная обработка на нанометровом, молекулярном, атомном уровнях. Мало загрязнений, мало напряжений/деформаций, гибкость к материалам, но высокая стоимость.

Два этапа: травление и напыление.

• Травление: ионное травление воздушного подшипника гироскопа, канавок динамического подшипника с высоким разрешением/точностью/повторяемостью. Травление высокоточной графики: интегральные схемы, оптоэлектронные/оптические интегральные приборы. Прореживание материалов для образцов проникающей электронной микроскопии.
• Напыление: два типа: спуттеринг и ионное напыление. Металлические/неметаллические пленки на металлы/неметаллы, сплавы, соединения, синтетические материалы, полупроводники, рефрактарные материалы. Смазочные, теплостойкие, износостойкие, декоративные, электрические пленки.

Плазменно-дуговая обработка

Тепловая энергия плазменной дуги для резки, сварки, напыления металлов/неметаллов. Сварка фольги/тонких листов, «ключевое отверстие» — односторонняя сварка с двусторонним формированием. Высокая плотность энергии, температура колонки дуги, проникающая способность. Для стали 10–12 мм без фаски — полное проваривание и двустороннее формирование за один проход, высокая скорость, производительность, малые деформации. Оборудование сложное, расход газа велик — только для室内 сварки.

Широко в промышленности: медь/сплавы, титан/сплавы, легированные/нержавеющие стали, молибден в военной и передовой промышленности (аэрокосмос: ракетные оболочки из титановых сплавов, тонкостенные сосуды).

Ультразвуковая обработка

Ультразвуковая частота как инструмент для малаямплитудной вибрации и ударения по обрабатываемой поверхности свободным абразивом в жидкости между инструментом и деталью. Поверхность детали прогрессивно трескается. Сверление, резка, сварка, вкладывание, полировка. Любой материал, но особенно твердые/хрупкие непроводящие (стекло, кварц, керамика, силиций, германий, феррит, драгоценные камни) — высокая точность и качество поверхности, но низкая скорость.

Перфорация (круглые/фигурные/криволинейные отверстия), резка, шлицевание, вкладывание, гравировка твердых/хрупких материалов, пакетное снятие заусенцев на мелких деталях, полировка форм, заточка абразивных кругов.

Химическая обработка

Кислота, щелочь, соль разъедают/растворяют материал для заданной формы/размера/поверхности. Идеальна для тоньше больших площадей и сложных отверстий в тонкостенных деталях. Подходит для крупногабаритной обработки, пакетная обработка множества деталей, любые металлы, режущиеся химически, независимо от твердости/прочности. Без напряжений, трещин, заусенцев шероховатость Ra 1,25–2,5 мкм. Простая эксплуатация. Не для узких щели/отверстий, не для устранения дефектов шероховатости/царапин.

Быстрое прототипирование (Rapid Prototyping)

Современные CAD/CAM, лазерные технологии, ЧПУ, прецизионные приводы, новые материалы → RP-технологии. Разные системы RP по формирующим материалам имеют разные принципы и особенности. Базовый принцип — «слоевое наращивание, наложение слой за слоем». Аналог интегрирования в математике. Внешне — «3D-принтер».

Прямой прием CAD-данных → быстрые образцы, формы, модели без штампа, резака, оправки. Массовое внедрение RP резко сокращает сроки разработки, затраты, повышает качество. Революция: от традиционного «метода устранения» к «методу наращивания», от штампов к бесштамповому производству. Применение: авиация, космос, авто, связь, медицина, электроника, бытовая техника, игрушки, военная техника, промышленное моделирование (скульптура), архитектурные модели, машиностроение.

Видео о нетрадиционных методах обработки:

Преимущества и недостатки нетрадиционных методов обработки

Преимущества:

Высокая точность: главная забота предприятий любого масштаба. Неконвенциональные методы дают большую точность, чем традиционные. Поэтому подходят для современности и могут заменить традиционные методы.

Меньше шума: замена традиционных методов снижает шумовое загрязнение. Некоторые заводы могут располагать в жилых зонах.

Высокая производительность: быстрее и точнее традиционных методов.

Меньше отходов: старое оборудование — сложный контроль отходов (стружка, утилизация). Нетрадиционные — нет отходов или микроотходы, легко утилизировать.

Нет износа инструмента: нет контакта инструмента с деталью → нет износа. Исключен отказ инструмента, износ.

Недостатки:

Высокая начальная стоимость: много электрических узлов рядом с механическими → затраты на запуск выше традиционного. Малое/кустарное производство не может позволить.

Высокое потребление энергии: нужно значительно больше энергии из-за отсутствия контакта инструмента с деталью — требуется больше энергии для обработки поверхности инструмента.

Сложный механизм: сложнее традиционных. Оператор должен быть высококвалифицирован. При поломке нужен высококвалифицированный специалист.

Низкая скорость удаления металла: ниже традиционных. Неподходит для крупногабаритных изделий.

Неподходит для мягких материалов: режущее действие — локальный нагрев детали. Мягкие материалы (резина, пластик) сгорят.

Заключение

Нетрадиционная обработка — метод с использованием электричества, тепла, света, электрохимической, химической, звуковой энергии и спец. механической энергии для удаления, деформирования, изменения свойств или напыления. Включает ЭЭО, электролитическую, лазерную, электронно-лучевую, ионно-лучевую обработку и др. Рассмотрены определение, применение, характеристики, виды, работа, плюсы/минусы.

Надеемся, статья полезна — делитесь с коллегами!