Учебное пособие для факультета спо

5. 
ЭЛЕКТРОФИЗИЧЕСКИЕ ТЕХНОЛОГИИ
 
Напомним, что электрофизические методы используют специальные фи-
зические эффекты для превращения электрической энергии как в тепловую, 
так и в механическую (электроэрозионные, ультразвуковые, магнитоимпуль-
сные, электровзрывные, плазменные, электронно
-
лучевые, лазерные
и опти-
ческие технологии).
Рассмотрим электрофизические технологии на примере электроискровой 
обработки металлов. Электроискровая обработка металлов и, в частности, 
электроискровое легирование металлических поверхностей основано на ис-
пользовании явлений, сопровождающих мгновенное освобождение энергии 
электрической искры. Этот процесс характеризуется высокой температурой 
канала искры и ионизацией межэлектродного пространства. Поскольку при 
осуществлении процессов электроискрового легирования металлических по-
верхностей протекают весьма
короткие по времени импульсы электрического 
тока длительностью от 10
3
до 10
5
сек, то отвод тепла на электродах от места 
разряда к периферии не обеспечивается теплопроводностью металла. Поэто-
му малые объемы поверхностных слоев металла подвергаются весьма
резким 
колебаниям температуры в несколько десятков градусов.
Как следствие этого, во
-
первых, происходит изменение структуры по-
верхностного слоя металла, измельчение её и увеличение твердости металли-
ческой поверхности.
Во
-
вторых, наличие высокой ионизации межэлектродного промежутка 
создает чрезвычайно благоприятные условия для протекания на металличе-
ской поверхности целого ряда химических реакций, что приводит к измене-
нию состава поверхностных слоев за счет химических элементов, находя-
щихся в окружающей среде.
Под воздействием электрического поля и возникающих электродинами-
ческих сил, размягченные объемы металла переносятся с анода на катод и, 
внедряясь в него, тоже могут вступать в химические соединения на катоде. 
Переносящийся в этом случае на катод металл
образует на его поверхности 
слой покрытия, физико
-
химические свойства которого близки к свойствам 
материала анода.
В настоящее время электроискровое легирование металлических по-
верхностей широко применяется для упрочнения металлообрабатывающих и 
деревообрабатывающих инструментов, улучшения поверхностных свойств 
сильноточных и слаботочных контактов реле.
Простейшая принципиальная электрическая схема установки для элек-
троискрового легирования металлических поверхностей представлена на ри-
сунке 
5.1. 
На обкладках конденсатора накапливается электрическая энергия, кото-
рая мгновенно освобождается между электродами благодаря коммутации це-
пи разрядного контура, осуществляемой при помощи вибрационного приспо-
собления.

---

76 
+
-
R
1
C
1
Э
Л
П
Л
Рисунок 
5.1
Схема электрическая принципиальная установки 
для электроискрового легирования
Полная принципиальная электрическая схема установки представлена на 
рисунке 5
.2. 
Силовая часть установки состоит из силового однофазного трансформа-
тора 
TV
1 с повышенным магнитным рассеянием, силового селенового вы-
прямителя 
VD3
–
VD
14 и батареи накопительных конденсаторов С5. Первич-
ная обмотка трансформатора TV1 питается от однофазной сети 220 В. 
Напряжение на выходе выпрямителя может
меняться в пределах от 15 до 200 
В. Переключение осуществляется с помощью переключателя режимов S
A2, 
расположенного в цепи вторичной обмотки
трансформатора TV1.
Для обеспечения безопасности обслуживания в установке предусмотре-
но устройство, автоматически отключающее конденсатор от цепи питания 
главного выпрямителя, через 0,6–1,5 с после прекращения работы установки. 
Оставшееся на конденсаторе напряжение быстро снижается до безопасного 
(24 В), так как параллельно конденсатору С5 и сопротивлению R3 (10 кОм) 
присоединяется сопротивление R1 (500 
O
м), которое включается одновре-
менно с отключением конденсатора С5 от главного выпрямителя.
С включением тумблера S
A
1 загорается сигнальная лампа 
HL
1. Одно-
временно на выходе выпрямителя 
VD1
–
VD
2 появляется напряжение 24 В, 
которое
через размыкающий контакт реле тока K
A
1, обмотку реле тока 
KA2, 
клемму 
KA
3 оказывается приложенным к рабочим электродам (пластина ПЛ 
и электроду вибратора ЭЛ).
Перед началом легирования необходимо прикоснуться электродом виб-
ратора ЭЛ к пластине
ПЛ или обрабатывающему изделию, соединенному с 
пластиной ПЛ. При этом создается цепь: корпус прибора, обмотка 24 В 
трансформатора, вентили 
VD1
–
VD
2, размыкающий контакт 
KA
1 реле, об-
мотка реле 
KA
1, корпус прибора. В этом случае ток в цепи вызывает сраба-
тывание реле тока 
KA
1. Замыкаются замыкающие контакты реле KA1.
Главный выпрямитель подключается через контакт KA1, обмотку 
KA
1 к 
накопительному конденсатору С5 и электроду ЭЛ. Другой замкнувшийся 
контакт KA1 создает цепь питания обмотки вибратора L.
После прекращения работы, т.е. при длительном размыкании цепи элек-
трод ЭЛ
-
изделие, ток через обмотку реле KA1 прекращается и все контакты 
возвращаются в исходное положение.
Установка имеет 6 режимов обработки. Чистовые режимы (1
-
2 положе-
ние), средние (3
-
4 положение) и грубые (5
-
6 положение). Они охватывают 
значительный диапазон мощностей, необходимых для проведения как дово-

---

77 
дочных, так и грубых процессов электроискрового легирования металличе-
ских поверхностей. 
V
D
1
H
L
1
V
D
2
T
V
1
R
1
S
A
2
C
1
C
2
C
3
C
4
P
V
1
S
A
1
F
U
1
~
2
2
0
В
P
A
1
K
A
1
V
D
3
.
.
.
V
D
1
4
K
A
1
K
A
1
S
A
3
K
A
1
R
3
R
2
P
O
1
L
1
Э
Л
П
Л
C
5
A
V
Рисунок 
5.2
Схема электрическая принципиальная 
установки "ЭФИ
-
ЭЛЕКТРОМ
-IO
М"
Различные режимы обработки применяются в зависимости от требова-
ний, предъявляемых к обрабатываемой поверхности, её чистоте, сплошности
получаемого покрытия, толщине наносимого слоя. Чем легче применяемый 
режим обработки, тем меньше энергия импульсов, тем меньше толщина слоя, 

---

78 
получаемого в единицу времени на единице поверхности, но тем выше каче-
ство получаемой поверхности. Чем грубее режим обработки, т.е. чем больше 
энергии
выделяется в каждом единичном импульсе, тем большая порция ма-
териала при этом переносится. В этом случае качество поверхности получа-
ется хуже и прочность ниже
. 
Характер зависимости толщины получаемого слоя от времени покрытия 
представлен на рисунке 
5.
3, где γ
к
привес катода за время τ в минутах от 
начала обработки.
Д
л
я
г
р
у
б
ы
х
р
е
ж
и
м
о
в
Д
л
я
м
я
г
к
и
х
р
е
ж
и
м
о
в
к
Рисунок 
5.3
График зависимостей толщины наносимого слоя от времени
Из графика следует, что при нанесении покрытия на грубых режимах 
обработки в первые минуты работы перенесение металла осуществляется 
наиболее интенсивно. Затем перенос замедляется, прекращается и сменяется 
снятием не только нанесенного слоя, но и материала обрабатываемого изде-
лия. Минимальный предел времени обработки обусловлен временем, необ-
ходимым для получения
сплошного покрытия всей поверхности.
Максимальное время характеризуется
тем, что перенос металла на катод 
начинает значительно снижаться. При этом поверхность начинает значитель-
но портиться: появляются бугры и приточи.
Рекомендуется следующее время легирования одного квадратного сан-
тиметра поверхности: на 1
-
2 режимах легирования 3–4 минуты, на 3
-
4 режи-
мах 
2 минуты, на 5
-
6 режимах 
0,5
–1 минута.
Для обработки металлов с высокими механическими свойствами приме-
няется метод размерной обработки при непосредственном использовании 
теплового эффекта электрической энергии –
электроэрозионная обработка.
Она основана на эффекте расплавления и
испарения микропорций материала 
под тепловым воздействием импульсов электрической энергии, которая вы-
деляется в канале электроискрового заряда между поверхностью обрабатыва-
емой детали и
электродом
-
инструментом, погруженным в жидкую непрово-
дящую среду. Следующие друг за другом импульсные разряды определенной 
длительности и формы производят выплавление и испарение микропорций
металла.

---

79 
По достижении импульсным напряжением U определенного значения 
между электродом
-
инструментом 4 и электродом
-
деталью 1 в диэлектриче-
ской жидкости 2 происходит электрический пробой. При этом от электрода, 
который в данный момент является катодом, отделяется стриммер 3 и 
направляется к аноду, ионизируя на своем пути жидкость. В результате этой 
фазы (ее длительность 10
–
9
–
10
–
7
с) образуется канал сквозной проводимости
и сопротивление межэлектродного промежутка снижается от нескольких 
МОм до долей Ом (рисунок 5.4
а
). 
Рисунок 
5.4 
–
Схема физических процессов в межэлектродном промежутке 
при электроэрозионной обработке
Через канал проводимости в виде импульса выделяется электрическая 
энергия, накопленная в источнике питания (рисунок 
5.4 
б
), При этом проис-
ходит электрический разряд 5, длительность которого составляет 10
–
6
–
10
–
4
с, 
для которого характерна падающая вольтамперная характеристика. Разряд 
проходит искровую и дуговую стадии. Благодаря высокой концентрации 
энергии в зоне разряда и приэлектродных областях развиваются высокие 
температуры. Под их воздействием образуется парогазовая полость 7. В при-
электродных областях 8 происходит плавление и испарение микропорций 
металла на поверхности электрода. В результате развивающегося давления 
капли жидкого металла 6 выбрасываются из зоны разряда и застывают в 
окружающей электроды жидкой среде в виде мелких сферических частиц 9 
(
рисунок 5.4
в
). После пробоя электрическая прочность межэлектродного 
промежутка восстанавливается. Следующий разряд возникает в другом месте 
между другими неровностями поверхностей электродов. При этом электрод
-
инструмент получает возможность внедряться в обрабатываемую деталь.
Электроэрозионный способ (рисунок 5.5) позволяет обрабатывать 
токопроводящие материалы любой механической прочности, вязкости,