СПОСОБ МЕХАНИЧЕСКОЙ ОБРАБОТКИ РЕЗАНИЕМ МЕТАЛЛОВ И ПОЛУПРОВОДНИКОВ С ИСПОЛЬЗОВАНИЕМ ЭФФЕКТА ЭЛЕКТРОПЛАСТИЧЕСКОЙ ДЕФОРМАЦИИ
METHOD OF CUTTING METALS AND SEMICONDUCTORS USING ELECTROPLASTIC DEFORMATION EFFECT

Изобретение относится к способам обработки резанием металлов и полупроводников, включающим механическую обработку с одновременным пропусканием электрического тока.
При обработке материалов резанием, включая сверление, токарную обработку, фрезерование и др., эффективность процесса может быть повышена, например, нагревом заготовки. Однако повышение температуры обработки приводит к повышению износа режущего инструмента и другим технологическим сложностям.
2
Известны технологические процессы на основе механизма давления (прокатка, волочение и штамповка), где в ходе обработки материалов в область давления подаются импульсы тока с параметрами, создающими электропластический эффект (ЭПЭ) - повышается пластичность и снижается сопротивление материала деформированию без существенного нагрева (патент RU 2321469 [1]). Согласно [1], к обрабатываемой заготовке прикладываются импульсы тока плотностью от 350000 до 1000000 А/см с длительностью 100-150 мкс.
Наиболее близким к предлагаемому способу является способ продольной резки стальной полосы, предложенный в патенте RU 2281189 [2], где к участку резки подводят переменный электрический ток с величиной силы тока, обеспечивающей локальный нагрев полосы в точке разрезания до температуры, близкой к температуре, плавления металла. В результате достигается снижение производственных затрат и повышается качество резания.
Недостатками данного способа являются большие плотности тока, что требует значительных затрат электроэнергии, износ режущего инструмента вследствие нагрева до высоких температур, а также ограничение в применении по видам обработки (применение в процессах сверления, фрезерования и токарной обработки невозможно).
Задачей предлагаемого решения является применение ЭПЭ к процессу резания металлов и полупроводников. Техническим результатом является снижение затрат электроэнергии на процесс резания, повышение качества обрабатываемой поверхности, уменьшение износа режущего инструмента в процессах резания.
и
Технический результат достигается тем, что при механической обработке металлов и полупроводников резанием для пластификации и снижения сопротивления материала деформированию через заготовку в области резания пропускают импульсы тока с длительностью t от 100 до 150 мкс, при этом частота следования импульсов в герцах F [1/с] определяется зависимостью
F=k·V/h,
где k - безразмерный коэффициент, имеющий значение от 1 до 10;
V [см/с] - скорость подачи режущего инструмента относительно заготовки или заготовки относительно режущего инструмента;
h [см] - глубина захода режущего инструмента,
а амплитуда импульса тока Im [А] определяется как
Im=Jm·h·L,
2
где Jm - плотность тока, составляющая от 350000 до 1000000 А/см;
L [см] - ширина обрабатывающей кромки режущего инструмента (резца).
и
Значение k выбирается в указанном диапазоне в зависимости от типов и режимов обработки, от требований к процессу обработки, в том числе и экономических, а также от физических свойств материалов. Из [1] известно достижение ЭПЭ при указанных значениях Jm и t. В [1] указывается значение k, большее 1. В результате рассмотрения различных вариантов процесса резания значение k ограничено указанным диапазоном - от 1 до 10.
На чертеже 1 показана схема резания на примере строгания заготовки. Здесь h - глубина захода режущего инструмента;  - вектор, показывающий направление механического усилия;  - вектор плотности тока.
В случае строгания (неподвижность заготовки) V является скоростью подачи режущего инструмента. В случае токарной обработки V - максимальная окружная скорость фрагментов заготовки в области резания. При сверлении V - максимальная окружная скорость в периферийной области сверла. При фрезеровании V определяется двумя процессами: линейным перемещением фрезы и вращением фрезы.
и
Для исключения нагрева заготовки длительность импульсов тока t не должна превышать 150 мкс.
Механизм ЭПЭ, возникающего в процессе резания с наложением импульсного тока, является физически сложным. Тем не менее, многие явления могут быть объяснены теорией дислокации. Дислокация - область кристаллической решетки металла или полупроводника, в которой нарушен порядок расположения атомов. Дислокации представляют собой линейные комплексы атомов с разорванными ковалентными связями и фактически являются ионами, заряд которых компенсируется электронами, если ионы заряжены положительно, и дырками, если ионы заряжены отрицательно. При пропускании электрического тока электрическое поле воздействует на дислокации, заставляя их поворачиваться по направлению силовых линий тока. Если силовые линии ориентированы в направлении резания, то скорость резания увеличивается. Если силовые линии тока ориентированы поперек подачи режущего инструмента, то наблюдается улучшение качества обработанной поверхности, уменьшается количество сколов, стружка не крошится и т.д.
Возможны несколько направлений пропускания импульсов тока:
1. Импульсы тока направлены от режущего инструмента к заготовке в направлении подачи режущего инструмента (вдоль оси сверла, в направлении подачи резца, пилы и пр.);
2. Импульсы тока направлены в заготовке параллельно направлению подачи режущего инструмента;
3. Импульсы тока направлены в заготовке перпендикулярно направлению подачи режущего инструмента.
Оптимальный вариант и величина V устанавливаются экспериментально.
Осуществление изобретения.
и
и
min
max
min
и
max
Для реализации предлагаемого способа нами рассматриваются режимы следования электрических импульсов, в которых отношение периода следования импульсов Т к t составляет не менее 5. Следовательно, для t=100 мкс минимальная длительность периода Т равна 500 мкс, а максимальная частота F составляет 1/Т=2 кГц. Для t=150 мкс значение F равно 1,3 кГц. То есть заданная длительность импульсов ограничивает значение частоты F до 1…2 кГц.
Это соответствует частотам, рассчитанным по формуле F=k·V/h.
Действительно, реальное значение V в процессах резания может достигать порядка 10 см/с, а реальная минимальная глубина захода резца h составляет примерно 0,01 см. Это соответствует значению V/h=1000[1/с]=1 кГц. Исходя из вышеуказанного, значение k должно составлять от 1 до 2.
При значениях h, например, h=0,4 см и V=10 см/с значение V/h составляет 25 [1/с], т.е. F=25 Гц при k=1, и F=250 Гц при k=10.
Нами на практике применен ЭПЭ в процессе сверления при пропускании тока поперек направления движения сверла, когда вектор плотности тока с одной стороны сверла совпадает с вектором окружной скорости резания V, направленной по касательной к диаметру сверла. Размеры режущего инструмента составляли: L=0,3 см, h=0,01 см, скорость V составляла 2 см/с.
2
и
Амплитуда импульсов тока составляла Im=350000[А/см]·0,01 [см]·0,3[см]=1050 [А]. Частота F, рассчитанная по предлагаемой формуле при k=1, составляла 2[см/с]/ 0,01 [см]=200[1/с]=200 Гц. Значение t=150 мкс.
При воздействии импульсов тока время сверления на дюрале сокращается на 10-12%, при этом стружка становится хрупкой и мелкой. На стали наблюдалось повышение пластичности стружки (из мелкой крошки она превращается во вьющуюся ленту) и повышалось качество обработки.