Электроэрозионная обработка

Современная технология механической обработки конструкционных материалов достигла значительных результатов, а выпускаемые металлорежущие станки — высокой степени совершенства и высокой производительности, что позволяет с успехом решать разнообразные и сложные задачи.

Однако, стремительный прогресс авиационной, ракетной, атомной и электронной техники, газотурбостроения, инструментального производства и приборостроения вызвал необходимость в применении материалов, механическая обработка которых может быть осуществлена лишь с большим трудом или вообще не возможна. Это материалы с очень высокой твердостью (вольфрамо- и титанокарбидные твердые сплавы, алмазы, магнитные сплавы, закаленные стали), хрупкостью (керамика, кварц, стекло, ферриты), вязкостью (нержавеющие и жаропрочные стали), а также материалы, обладающие магнитными свойствами. Особые трудности возникают при фасонной обработке таких материалов, когда в них необходимо получить пазы, узкие щели, полости и глухие отверстия сложной формы.

Острая необходимость эффективно обрабатывать детали сложной формы из материалов труднообрабатываемых резанием предопределила возникновение ряда новых методов. К ним относятся электрофизические и электрохимические методы обработки.

Под электрофизическими и электрохимическими методами размерной обработки понимается совокупность электрических, электрохимических, электромагнитных и ядерных процессов воздействия на твердое тело для придания ему заданной формы и размеров. Эти процессы действуют в различных сочетаниях с тепловыми, механическими и химическими процессами.

В настоящее время электрофизические и электрохимические методы обработки широко используются в различных областях промышленности и постоянно развиваются и совершенствуются. Основные направления в развитии методов электротехнологии — повышение точности и производительности обработки, снижение энергоемкости процессов, поиск новых областей применения и совершенствования оборудования с целью автоматизации процессов обработки.

Электрическая эрозия — это разрушение поверхности токопроводящих материалов под действием электрических разрядов. Наглядным примером электрической эрозии может служить разрушение контактов выключателей, рубильников и реле при разрыве электрических цепей.

Явление электрической эрозии было открыто Пристоли в 1768 году. С этого времени и до середины сороковых годов прошлого столетия это явление в технике рассматривалось, главным образом, как вредное — сокращающее срок службы и надежность электрических устройств.

В 1943 году наши соотечественники Б.Р. Лазаренко и Н.И. Лазаренко предложили использовать электрическую эрозию для размерной обработки деталей. Схема разработанной ими установки показана на рисунке.

Два электрода, один из которых является заготовкой 5 (анод), а другой электрод — инструмент 3 (катод) помещены в ванну с диэлектрической жидкостью 4 (индустриальное масло, керосин, вода и т.п.) и подключены к генератору импульсов. В качестве генератора импульсов служит батарея конденсаторов 2, заряженных от источника постоянного тока. Время зарядки конденсаторов регулируется реостатом 1.

При разведенных друг от друга электродах в промежутке между ними образуется электрическое поле. Величина напряженности этого поля обратно пропорциональна расстоянию между электродами. Если расстояние достаточно большое, то пробоя диэлектрической жидкости не происходит. По мере сближения электродов напряженность возрастает и при определенном межэлектродном промежутке происходит пробой. Возникает электрический разряд, под действием которого происходит разрушение участков электродов. Разрушение происходит в результате теплового действия разряда. В месте пробоя на поверхностях электродов выплавляется металл, образуются лунки.

В это время конденсатор разряжается, а после прохождения разряда, снова заряжается и процесс повторяется. После прохождения большой серии разрядов на поверхности заготовки образуется полость, имеющая форму обратную форме электрода-инструмента. Перед обработкой металлов резанием метод электроэрозионной обработки обладает рядом преимуществ, главными из которых являются следующие:

1. Производительность процесса электроэрозионной обработки не зависит от механических характеристик обрабатываемого материала, его твердости, прочности, вязкости и хрупкости;

2. Силовое воздействие на заготовку в процессе электроэрозионной об-

работки не значительно по сравнению с силами резания, действующими на заготовку при механической обработке;

3. Схемы формообразования, применяемые при электроэрозионной об-

работке, принципиально отличаются от тех, которые применяют при обработке деталей на металлорежущих станках.

На универсальных электроэрозионных станках применяют, в основном, две технологические схемы формообразования поверхностей деталей:

1. Копирование— эта схема аналогична штамповке. В отличие от штамповки, при которой форма образуется за счет пластического оттеснения металла, при электроэрозионной обработке полость формируется путем расплавления частичек металла.

Заготовка 1 устанавливается на столе станка, а электрод-инструмент 2 перемещается в направлении заготовки. Электроэрозионные станки, которые реализуют такую схему формообразования, называют копировально-прошивочными.

2. Профильная вырезка.Обработка по этой схеме производится непрофилированным электродом-инструментом (обычно тонкой проволокой). Проволока 1 движется с постоянной скоростью, перематываясь с одной катушки на другую. Заготовка 2 устанавливается на столе станка и совершает движение в заданном направлении. Станки, реализующие такую схему, называются электроэрозионными вырезными станками.

Электрический разряд в диэлектрической жидкой среде протекает в определенной последовательности и включает три стадии:

Первая стадия. Подготовка канала сквозной проводимости.

В реальных условиях электроэрозионной обработки в диэлектрической жидкости во взвешенном состоянии всегда находятся мельчайшие токопроводящие частицы. В основном это частицы металла оставшихся после предшествующих разрядов. При подключенном генераторе импульсов токопроводящие частицы располагаются в межэлектродном промежутке вдоль силовых линий электрического поля.

С уменьшением расстояния между электродами напряженность электрического поля возрастает до величины, при которой происходит пробой диэлектрической жидкости (масленой пленки между частицами). Для электрических жидкостей, применяемых при электроэрозионной обработке, напряженность поля в момент разряда достигает нескольких десятков мегавольт на метр.

Вторая стадия. Пробой диэлектрической жидкости.

В результате электрического разряда происходит ионизация межэлектродного промежутка. Образуется канал сквозной проводимости способный пропустить ток большой силы. Канал представляет собой, сравнительно узкое цилиндрической формы пространство, заполненное плазмой. Температура плазмы свыше 5000°С. Канал является объемным источником тепла. По каналу по направлению к катоду движутся электроны, а по направлению к аноду — ионы. Электроны, имеющие значительно меньшую массу, чем ионы, быстрее достигают поверхности катода, чем ионы поверхности анода. За время разряда часть ионов также успевает достигнуть поверхности анода. В результате под действием тепла происходит расплавление и испарение металла, который в начальный момент находится в лунках, образовавшихся на поверхностях заготовки и электрода-инструмента.

Под действием высокой температуры в зоне канала происходит почти мгновенное испарение диэлектрической жидкости. Образуется газовый пузырь.

Третья стадия. Прекращение тока, отрыв ударной волны от газового пузыря, выброс металла из лунок.

В момент, когда давление в канале достаточно большое расплавленный металл находится в лунках, расположенных на поверхностях заготовки и электрода-инструмента. По мере расширения газового пузыря давление внутри него резко падает. Содержащийся в лунках расплавленный металл выбрасывается из лунок в межэлектродный промежуток в жидкую диэлектрическую среду и затвердевает в виде мельчайших шариков. Обработанная поверхность представляет собой хаотически расположенные лунки, покрытые темной пленкой из осевших и спекшихся с металлом мельчайших частиц продуктов высокотемпературного разложения диэлектрической жидкости.

Процесс электроэрозионной обработки осуществляется при постоянном подводе к электродам (заготовке и электроду-инструменту) импульсов электрического тока. От параметров импульса зависит объем выплавляемого им металла (объем лунки). Наибольшее влияние на объем выплавляемого металла оказывает энергия импульса. С увеличением энергии импульса, объем выплавляемого металла возрастает, поэтому увеличивается производительность обработки, а точность и шероховатость поверхности ухудшается.

станок электроэрозионный копировально-прошивочный D7150

При работе на копировально-прошивочных станках производительность процесса электроэрозионной обработки оценивают отношением объема или массы удаленного с заготовки металла ко времени обработки.

Под производительностью обработки на электроэрозионных вырезных станках понимают отношение площади боковой поверхности паза ко времени обработки. Площадь боковой поверхности определяется произведением расстояния, пройденным проволочным электродом-инструментом в направлении подачи за время обработки, на толщину заготовки.

Если бы все импульсы, вырабатываемые генератором, производили бы съем металла, то производительность процесса можно было бы оценивать произведением объема металла, снимаемого одним импульсом на их частоту. На практике кроме рабочих импульсов в межэлектродном промежутке реализуются холостые, короткозамкнутые и фиктивные импульсы, которые не производят съем металла. Поэтому, чем больше рабочих импульсов реализуются в межэлектродном промежутке, тем выше производительность обработки.

Для того чтобы, обеспечить высокую производительность, необходимо подобрать оптимальное сочетание факторов, позволяющих увеличивать долю полезной энергии импульса, его мощность и частоту следования импульсов. Импульсы большой энергии и длительности обладают высоким эрозионным эффектом (выплавляет большой объем металла с образованием лунок большого размера), что обеспечивает высокую производительность процесса обработки. При этом шероховатость обработанной поверхности грубая. Соответствующие режимы используются при черновой обработке. Энергия импульсов на таких режимах более 1 Дж, а производительность может достигать 4000 мм. ³/мин.

Электроэрозионный проволочный вырезной станок с ЧПУ мод. СКЭ200Ф3

Импульсы малой энергии (от 0,1 до 1 Дж) и длительности обеспечивают небольшой единичный съем металла, поэтому для увеличения производительности необходимо повышать частоту их следования. Такие режимы используют при чистовой обработке. На отделочной обработке используют импульсы с энергией менее 0,1 Дж и с частотой 200…400 кГц.

На производительность электроэрозионной обработки оказывает влияние площадь обрабатываемой поверхности. При малой площади обработки число участков, на которых возможен разряд значительно меньше, чем число импульсов поступающих от генератора. Необходимо отметить, что количество участков, на которых возможно сокращение разрядов еще и потому, что часть площади перекрыта газовыми пузырями от предшествующих разрядов. Время существования газового пузыря в 5–10 раз больше длительности импульса, а разряд через газ возможен только при более высоком напряжении, чем через диэлектрическую жидкость. С увеличением площади обрабатываемой поверхности скорость съема металла возрастает, но в дальнейшем происходит ее снижение. Это объясняется тем, что с течением времени ухудшаются условия удаления продуктов обработки из межэлектродного промежутка. Все большее число электрических импульсов не будет вызывать эрозии из-за накопления газов и металлических частиц, оседающих на поверхности заготовки.

По мере углубления электрода-инструмента в полость обрабатываемой поверхности осложняется поступление в рабочую зону свежей диэлектрической жидкости и затрудняет удаление продуктов эрозии из межэлектродного промежутка. В межэлектродном промежутке увеличивается концентрация твердых частиц — продуктов эрозии, свойства диэлектрической жидкости ухудшаются. Это приводит к увеличению числа фиктивных и короткозамкнутых импульсов, а следовательно, к снижению производительности. В этом случае необходимо выбрать эффективный способ интенсификации удаления продуктов эрозии из зоны обработки — прокачку или отсос жидкости, вибрацию или релаксацию электрода-инструмента, продувку межэлектродного промежутка воздухом и др.

Таким образом, для получения высокой производительности необходимо правильно выбрать сочетание площади обрабатываемой поверхности и мощности, а также подобрать эффективный способ удаления продуктов эрозии из зоны обработки.

Значительное повышение производительности может быть достигнуто путем применения многоконтурной или многоэлектродной обработки. При многоконтурной обработке отдельные части электрода-инструмента изолируются друг от друга изоляционным материалом и получают питание от одного общего генератора, но по отдельным каналам, либо от различных генераторов. При многоэлектродной обработке на обрабатываемой площади размещено несколько одновременно работающих электродов-инструментов, подключенных к одному или разным генераторам импульсов. Многоконтурная и многоэлектродная обработка повышает производительность за счет более полного использования мощностей генератора. C ростом числа контуров влияние их на общий объем материала возрастает, то можно подобрать оптимальное количество контуров, при котором будет наибольшая, в данных условиях, производительность обработки.

Качество поверхности, обработанной на электроэрозионном станке, характеризуется двумя основными показателями: шероховатостью и изменениями в поверхностных слоях металла под влиянием теплового действия разрядов.

Микрорельеф поверхности, обработанной на электроэрозионном станке, совершенно не сравним с микрорельефом, полученным при обработке резанием. Обрабатываемая поверхность формируется из перекрывающих друг друга произвольно расположенных лунок. Выражение «лунный рельеф», часто бытующее среди специалистов по электроэрозионной обработке, образно характеризует вид обработанной поверхности. Большая степень неоднородности микрорельефа, вследствие нерегулярного расположения микронеровностей, затрудняет оценку шероховатости поверхности существующими методами. Все используемые в настоящее время методы оценивают шероховатость по характеру профиля, взятого в пересечении поверхности плоскостью, тогда как для поверхностей обработанных электроэрозией, наиболее целесообразна оценка по площади.

Микрогеометрия обработанной поверхности зависит от режимов обработки, теплофизических свойств обрабатываемого материала, размеров обрабатываемой поверхности, свойств рабочей жидкости и др.

Наибольшее влияние оказывает электрический режим. Размеры лунок, формирующих микрорельеф, зависят от энергии импульса. С увеличением энергии импульса высота микронеровностей увеличивается. Поэтому черновую обработку производят на малой частоте импульсов с большой энергией. При этом шероховатость обрабатываемой поверхности R_z 80 мкм и грубее. Чистовую обработку выполняют с использованием импульсов малой энергии следующих с большой частотой. Шероховатость поверхности, достигаемая на электроэрозионных копировально-прошивочных станках без применения специальных технологий R_a 1,25 мкм.

При обработке на электроэрозионных вырезных станках, благодаря тому, что используются импульсы малой энергии, шероховатость обработанной поверхности реально достигается R_a 0,2 мкм.

Вследствие того, что при обработке главную роль играют тепловые процессы в рабочей зоне, поверхностный слой металла, подвергается действию высоких температур, претерпевают значительные изменения. Зона термического влияния располагается на поверхности обработки, как правило, неравномерно. Глубина зоны термического влияния зависит от материала заготовки и от электрического режима работы. Большим энергиям импульса, реализуемым в работе, соответствует большая глубина измененного слоя металла. Зона термического влияния для большинства сталей и сплавов имеет сложную структуру, зависящую от режимов обработки.

Под точностью электроэрозионной обработки деталей понимают степень соответствия реальной обработанной поверхности детали идеальной схеме обработки положенной в основу данного метода. Точность обработки имеет свое численное выражение через погрешность обработки, которая и характеризует степень несоответствия реальной детали идеальной схеме, положенной в основу метода обработки.

На электроэрозионных копировально-прошивочных станках реализуется схема прямого копирования. По этой схеме форма и размеры обрабатываемой поверхности являются зеркальным отображением поверхности электрода-инструмента в конечной стадии обработки. При этом отображенная поверхность (поверхность детали) отстоит от поверхности электрода-инструмента на расстоянии равном величине межэлектродного промежутка. Поэтому точность получаемых размеров, прежде всего, определяется точностью электрода-инструмента в конечной стадии обработки и колебанием величины межэлектродного промежутка. Кроме того, на точность электроэрозионной обработки оказывают влияние те же факторы, которые влияют на точность механической обработки: состояние технологической системы, погрешность установки, базирование электрода-инструмента, нагрев заготовки в процессе обработки и неко-

торые другие факторы.

Наибольшее влияние на точность электроэрозионной обработки оказывают точность изготовления электрода-инструмента и его износ вследствие эрозии. Погрешности, обусловленные износом, могут быть учтены при проектировании электрода-инструмента (размеры корректируют с учетом износа) и построении плана обработки. При этом заданный профиль поверхности и соответствующие размеры можно получить тремя способами:

корректированием размеров электрода-инструмента в соответствии с его износом при обработке;

путем использования при работе нескольких одинаковых электродов- инструментов, изготовленных без учета износа. Последовательно заменяя в процессе обработки изношенные электроды-инструменты новыми, всегда можно получить требуемую форму и размеры с высокой степенью точности;

сочетанием первого и второго способов. Это позволяет значительно уменьшить потребное количество инструментов и обеспечить высокую производительность обработки, особенно при изготовлении большой партии одинаковых деталей.

Чтобы снизить влияние износа электрода-инструмента на точность изготовления деталей: а) изготавливают электрод-инструмент из материала стойкого к эрозии; б) используют, специальные электрические схемы, при которых на электроде-инструменте осаждается защитная пленка, компенсируя его износ; в) применяют круговое (орбитальное) перемещение электрода-инструмента. При таком (орбитальном) перемещении все точки электрода-инструмента движутся по одинаковым орбитам. При обработке глубоких полостей по мере углубления электрода-инструмента в заготовку радиус траектории увеличивают, это позволяет компенсировать износ.

Точность существующих электроэрозионных станков в необходимых случаях может быть повышена за счет использования дополнительных приспособлений: кондукторов, делительных столов и т.п.

Состав среды, в которую погружены электроды при электроэрозионной обработке, оказывает существенное и разнообразное влияние на течение процесса обработки и его результаты.

С точки зрения влияния, которое оказывают свойства рабочей среды на электроэрозионный процесс, наиболее важными являются следующие свойства: электрическая прочность; вязкость; температура вспышки; охлаждающая способность; испаряемость; химическая агрессивность; токсичность; фильтруемость; стоимость.

На электроэрозионных станках чаще всего применяют углеводородные среды; они представляют собой смоляные соединения, включающие различные углеводороды, асфальтосмолистые вещества, серные соединения и кислоты.

Помимо углеводородных сред при электроэрозионной обработке в качестве рабочей среды используется водные растворы, которые обладают многими достоинствами. В воде растворяется большое количество различных веществ, образуется коллоидные растворы и суспензии. Вода дешевле углеводородных сред и обладает большой теплоёмкостью. Могут использоваться эмульсолы. Это растворы, применяемые при механической обработке. Основу эмульсолов составляют вода, минеральное индустриальное масло (марок ИС-12 и ИС-20), а в качестве добавок вводят поверхностно-активные вещества. Каустическая сода, этиловый спирт и другие компоненты эмульсолов выполняют ту же роль, что и при механической обработке, т.е. оказывают охлаждающее, смазочное и моющее воздействие.

Форма, размеры и относительное перемещение электрода-инструмента при обработке определяют основные характеристики обрабатываемой поверхности. Поэтому эффективность процесса электроэрозионной обработки зависит от того, какой материал использован для электрода-инструмента и как выполнен сам инструмент. К материалу, из которого изготавливается электрод- инструмент, предъявляются следующие требования: высокая эрозионная стойкость; обеспечение стабильного протекания процесса; легкость механической обработки с целью придания необходимой формы и размеров и невысокая стоимость.

В зависимости от вида электроэрозионной обработки и её параметров этим требованиям в разной степени удовлетворяют следующие конструкционные материалы: медь М1, М2; латунь ЛС-62; алюминий и его сплавы Д1, Ал3, Ал5; чугун. Кроме того, используются специальные материалы, созданные для этой цели — углеграфитированный материал марки ЭЭГ и вольфрамомедные композиционные металлокерамические сплавы. В ряде случаев применяется чистый вольфрам в виде проката, проволоки и ленты. Наилучшими показателями по стабильности процесса обработки обладает медь. Между тем медные электроды в изготовлении получаются дорогими из-за высокой стоимости материала и трудоемкости обработки.

Наиболее износостойким является материал — ЭЭГ. Этот материал состоит из графита, полученного по специальной технологии, близкой к технологии изготовления электродов для электрометаллургии. Материал легко обрабатывается, обеспечивает достаточную стабильность обработки в широком диапазоне режимов. Материал ЭЭГ используется при изготовлении электродов-инструментов сложной формы для обработки сложных штампов, пресс-форм и т.д.

При создании станков для электроэрозионной обработки следует учитывать ряд характерных особенностей, отличающих эти станки от металлорежущих станков:

а) при электроэрозионной обработке инструмент и станок не испытывают нагрузок, аналогичным усилиям резания в металлорежущих станках. Поэтому здесь отсутствует силовой привод, обычный для металлорежущих станков. Механический привод имеет вспомогательные механизмы (привод насоса для подачи жидкости под давлением в межэлектродный промежуток; привод насоса для поддерживания на заданной высоте уровня жидкости в ванне; привод подъёма и опускания ванны; вентиляция; установочные перемещения рабочих органов и т.д.);

б) вследствие необходимости постоянно поддерживать определенный зазор между обрабатываемой поверхностью и электродом-инструментом все электроэрозионные станки имеют специальный узел-регулятор межэлектродного зазора;

в) для питания электроэрозионных станков требуются генераторы импульсов. Мощность генераторов колеблется от нескольких десятых долей до нескольких десятков кВт;

г) процесс обработки осуществляется в жидкой среде, что требует применения соответствующих устройств (ванн и емкостей для жидкости);

д) во время обработки выделяются пары и газы, которые необходимо

удалить при помощи вытяжной вентиляции.

Все электроэрозионные станки можно подразделить на два вида: универсальные и специальные. Универсальные электроэрозионные станки — это станки широкого профиля для выполнения копировально-прошивочных работ. В зависимости от инструмента и применяемых дополнительных приспособлений их можно использовать для обработки самых разнообразных поверхностей методом простого или кинематического копирования.

Универсальные станки имеют вертикальную компоновку, позволяющую защитить рабочие элементы станка от загрязнения продуктами эрозии и сократить занимаемые станками производственные площади. Все универсальные станки снабжены жестким тумбообразным столом и подъёмной ванной (или постоянной ванной с отсоединяющейся передней стенкой), что позволяет устанавливать на стол большие и тяжелые детали, быстро заполнять и опорожнять ванну.

Специальные электроэрозионные станки служат для обработки определенных деталей или группы характерных деталей. Так как, функциональное назначение отдельных узлов этих станков такое же, как и на универсальных станках, то многие станки содержат блоки и узлы, взаимозаменяемые с универсальными станками. Это относится к генераторам, регуляторам зазора, насосам, системам очистки и т. д. В то же время рабочие и исполнительные органы специальных станков конструируются с учетом обработки конкретных поверхностей и деталей. Специальные станки легко автоматизируются, часто они имеют систему программного задания рабочих параметров.

Дата добавления: 2014-01-20