Основні відомості про електроерозійної обробці

Сутність електроерозійної обробки

Часткове або повне руйнування поверхні під впливом зовнішнього впливу називається ерозією. Під електричної ерозією струмопровідних матеріалів розуміється руйнування поверхні матеріалу під впливом імпульсів електричного струму.

Процес електроерозійної обробки (ЕЕО) являє собою руйнування металу або іншого струмопровідного матеріалу в результаті локального впливу короткочасних електричних розрядів між двома електродами, один з яких є оброблюваної деталлю, а інший - електродом-інструментом (ЕІ). Під впливом високих температур в зоні розряду відбувається нагрів, розплавлення і часткове випаровування металу.

Для отримання високої температури в обмеженій області малого обсягу необхідна велика концентрація енергії. Досягнення цієї мети здійснюється використанням імпульсного напруги, а ЕЕО здійснюється в рідкому середовищі, яка заповнює зазор між електродами, званий межелектродним проміжком (МЕП), або межелектродним зазором.

З огляду на те, що будь-яка гладка поверхня має свій макро- або мікрорельєф, між двома електродами завжди знайдуться дві точки, відстань між якими буде менше, ніж між іншими точками поверхонь електродів. При підключенні до електродів джерела напруги (в даному випадку імпульсного) між електродами починає протікати струм і виникає електричне поле, напруженість якого між прилеглими точками електродів сягатиме найбільшого значення. Під впливом електричного поля в зоні найбільшої напруги відбувається іонізація робочого середовища з утворенням каналу підвищеної провідності, т. Е. Порушується електрична міцність робочого середовища. І між цими двома прилеглими точками відбувається пробій МЕП. Між точками, в яких стався пробій робочого середовища, утворюється канал з високою електричну провідність.

Перетин каналу розряду мало, а його розширення перешкоджає магнітне поле, яке стискає канал. Ту ж роль виконує і робоче середовище, що оточує канал розряду. Довжина каналу розряду і його діаметр дуже малі і тому щільність енергії в ньому досягає великих величин, а температура в цьому локальному обсязі - десятквв тисяч градусів. У точках, в яких розрядний канал спирається на електроди, відбувається розплавлення і випаровування матеріалу з поверхні електродів. Робоче середовище, що оточує канал розряду, під впливом високих температур розкладається і випаровується. Всі ці процеси відбуваються в дуже малі відрізки часу і з виділенням великих енергій, тому вони носять динамічний вибуховий характер.

Під дією сил, що розвиваються в каналі розряду, рідкий і пароподібний матеріал викидається із зони розряду в робочу середу, навколишнє його, і застигає в ній з утворенням окремих частинок. У місці дії імпульсу струму на поверхні електродів з'являються лунки, що утворилися внаслідок видалення імпульсним розрядом якоїсь кількості матеріалу. Таким чином здійснюється електрична ерозія струмопровідного матеріалу, показана на прикладі дії одного імпульсу, з утворенням однієї ерозійної лунки. Після припинення дії імпульсного розряду напруга на електродах падає. Починається процес деионизации робочого середовища, т. Е. Нейтралізація заряджених частинок, і електрична міцність робочого середовища відновлюється. Міжелектродний проміжок підготовляється для нового проходження чергового розряду. Якщо на електроди від генератора періодично надходить імпульсна електрична напруга, то процес буде повторюватися. При цьому кожен новий імпульсний розряд буде відбуватися в тому місці, де відстань між електродами мінімально.

Якщо пауза між імпульсними розрядами достатня для деионизации робочого середовища, т. Е. Для відновлення її електричної міцності, то процес буде повторюватися з утворенням нових ерозійних лунок на поверхні електродів; цим і обумовлюється електроерозійний знімання матеріалу, т. е. ЕЕО. Описаний процес представлений на рис. 1. Імпульсна напруга генератора 1 прикладається до електродів 2 і 3. При досягненні напруги певної величини відбувається електричний пробій робочого середовища, що знаходиться в міжелектродному просторі, з утворенням каналу розряду 6. Завдяки високій концентрації теплової енергії метал в точці розряду 5 плавиться і випаровується, робоча середа випаровується і оточує канал розряду газоподібними продуктами розпаду 7 (газовим міхуром). В результаті розвиваються в каналі розряду і газовому міхурі значних динамічних сил, краплі розплавленого металу 4 викидаються за межі зони розряду в робочу середу, навколишнє електроди, і застигають в ній, утворюючи каплеподібні частки. Надалі ці частинки виносяться течією робочого середовища з МЕП.

Кількість теплової енергії, що виділяється на кожному з електродів при імпульсному електричному розряді, неоднаково; також по-різному і кількість матеріалу, що знімається з поверхні кожного з електродів. Маса розплавленого і віддаленого матеріалу з електрода залежить від ряду факторів; до них відносяться: теплофізичні властивості матеріалів, з яких виготовлені електроди (температура кипіння, плавлення, теплопровідність і теплостійкість); параметри робочого імпульсу; полярність підключених електродів. Можна підібрати таке співвідношення теплофізичних властивостей матеріалу електродів і параметрів імпульсу, при яких електрична ерозія одного з електродів переважатиме. Ерозія ЕІ небажана, тому що під її впливом в процесі роботи змінюються його геометричні розміри, що, в свою чергу, робить істотний вплив на точність ЕЕО. Тому прагнуть створити умови, при яких ерозія ЕІ була б значно менше, ніж ерозія оброблюваної заготовки. Вирішують цю задачу різними способами. Використанням імпульсів, у яких струм не змінює свого напрямку протягом всієї тривалості імпульсу. Такі імпульси називаються уніполярними.

Використання уніполярних імпульсів дозволяє здійснити процес виборчої електричної ерозії одного з електродів.

Якщо при цьому обидва електроди виготовлені з одного і того ж матеріалу, то при малій тривалості імпульсів переважає ерозія електроду, що має позитивну полярність (анода), а при імпульсах великої тривалості переважає ерозія електроду, що має негативну полярність (катода). Розподіл імпульсів на імпульси малої і великої тривалості умовне. Воно прийнято в ЕЕО і не має чітких меж. Перевищення ерозії одного електрода над іншим прийнято називати в ЕЕО полярним ефектом.

При наявності змін полярності за час проходження імпульсів полярний ефект також змінюється і може зникнути зовсім (в разі використання знакозмінних імпульсів з однаковою амплітудою частин імпульсу, що мають різні полярності). Таке явище спостерігається, наприклад, при роботі на змінному струмі. Полярний ефект може зберегтися при знакозмінних імпульсах, коли електроди виготовлені з різних матеріалів, що мають різні тепло-фізичні властивості. Полярний ефект досягає максимального значення при використанні уніполярних імпульсів значної тривалості і невеликій енергії. У ЕЕО прийнято, що якщо оброблювана деталь підключена до позитивного полюса генератора, а ЕІ - до негативного, то таке включення електродів називається включенням на пряму полярність. Якщо ЕІ підключений до позитивного полюса генератора, а оброблювана деталь - до негативного, то таке включення електродів називається включенням на зворотну полярність.

Електрична ерозія буде менш інтенсивною у матеріалів, що володіють високими температурами плавлення, і навпаки. Інтенсивність електричної ерозії оброблюваного матеріалу (деталі) - одна з найважливіших складових продуктивності процесу ЕЕО. Так, оброблюваність алюмінію вище, ніж у сталі, так як температура його плавлення значно нижче. Виняток становить твердий сплав, який має ерозійну стійкість нижче, ніж у сталі, і має більш високу температуру плавлення.

Матеріали, з яких повинні виготовлятися ЕІ, повинні мати високу ерозійну стійкість. Таким чином, підбираючи матеріал для ЕІ з більш високими теплофізичними властивостями (що відповідає і більш високою ерозійної стійкості), можна значно зменшити його знос в процесі роботи. Найкращі показники щодо ерозійної стійкості ЕІ і забезпечення стабільності протікання електроерозійного процесу мають: мідь, латунь, вольфрам, алюміній і вуглеграфітові матеріали. Вони придатні для виготовлення ЕІ при обробці всієї групи матеріалів, що обробляються електроерозійним методом. ЕІ з міді застосовуються рідше через високу їх вартість і дефіцитності міді, а частіше застосовують ЕІ з углеграфіта.

Застосовуються ЕІ різної конфігурації. Копіювально-прошивальні операції виконуються профільованими ЕІ. Такі ЕІ мають тривимірну поверхню, що є дзеркальним відображенням оброблюваної деталі або її елементів, т. Е. Форма і розміри ЕІ визначаються формою і розмірами оброблюваної деталі або її елементів.

Контурна вирізка здійснюється непрофілірованного ЕІ. Як непрофілірованного ЕІ використовується калібрований дріт, що виготовляється з латуні, вольфраму та інших сплавів. У цьому випадку форма і розміри ЕІ можуть бути не пов'язані з формою і розмірами оброблюваної деталі або її елементів і відображати їх лише частково.

Електроерозійним способом можуть виконуватись різні технологічні операції профільованим і непрофілірованного ЕІ.

Найбільшого поширення набули такі схеми формоутворення, показані на рис. 2.

2. Виготовлення деталі за допомогою взаємного переміщення профільованого ЕІ 2 і заготовки деталі 1. У цьому випадку деталь набуває форму, відмінну від форми ЕІ (рис. 2, а).

3. Виготовлення деталі переміщенням непрофілірованного ЕІ 2 щодо заготовки 1. При цій схемі здійснюються операції розрізання заготовок і сложнопрофільних вирізка (рис. 2, г).

Схема формоутворення способом копіювання форми ЕІ набула найбільшого поширення і охоплює більшість операцій, виконуваних електроерозійним методом.

До недоліків ЕЕО з орбітальним рухом можна віднести зменшення площі одночасно оброблюваної поверхні. Це викликано постійно змінюються в часі межелектродним зазором, т. Е. Зменшенням або збільшенням його в часі на одному і тому ж ділянці межелектродного простору.

Зменшення площі одночасно оброблюваної поверхні призводить до зниження продуктивності процесу ЕЕО. Вона визначається обсягом матеріалу, знятого з оброблюваного вироби в одиницю часу. Продуктивність ЕЕО залежить від потужності, яка подається в МЕП, поєднання пари матеріалів електродів і оброблюваності матеріалів (інтенсивності їх ерозійного руйнування).

Матеріал ЕІ, який використовується при ЕЕО, також впливає на продуктивність процесу, так як для кожного матеріалу існує гранична потужність, яка може бути використана. Найбільша гранична потужність досягається при ЕЕО мідними ЕІ, менша - алюмінієвими і ще менша - графітовими матеріалами.

Однак в реальних умовах ЕЕО на продуктивність обробки будуть впливати і інші фактори. До цих факторів належать властивість робочого середовища, вплив глибини впровадження ЕІ в оброблювану деталь, форма оброблюваної поверхні, площі оброблюваної поверхні і ін.

В процесі роботи робоче середовище змінює свої властивості, т. Е. Забруднюється продуктами розкладання і ерозії, а в'язкість її збільшується. Продуктивність ЕЕО в значній мірі залежить від в'язкості робочого середовища (особливо при роботі з імпульсами великої енергії). Збільшення в'язкості погіршує умови виносу продуктів ерозії із зони обробки. При складних формах поверхні оброблюваної деталі умови видалення продуктів ерозії погіршуються. Явище погіршення ерозії проявляється при збільшенні глибини впровадження ЕІ в виріб. Для підтримки необхідної продуктивності застосовують різні прийоми, що забезпечують прискорення видалення із зони обробки продуктів ерозії: прокачування і відсмоктування робочого середовища через МЕП, вібрацію ЕІ і, якщо це можливо, - обертання ЕІ або деталі.

Продуктивність ЕЕО можна підвищити, використовуючи багатоконтурні схеми обробки, коли один виріб обробляється декількома ЕІ, ізольованими один від одного (по секціях). Кожна секція підключена до генератора імпульсів автономно. При такій схемі ЕЕО може відбуватися кілька електричних розрядів одночасно. Використання багатоконтурною схеми обробки підвищує продуктивність, але не пропорційно кількості контурів, так як ці контури працюють від одного регулятора подачі і при порушенні електроерозійного процесу в одному з контурів припиняється процес у всіх контурах.

Багатоконтурну обробку слід застосовувати, якщо площа оброблюваної поверхні перевищує 40-50 тис. Мм 2.