Общая характеристика и физические основы процесса
Для обработки металлов с высокими механическими свойствами применяется 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 выделяется в канале электроискрового заряда между поверхностью обрабатываемой детали и электродом-инструментом (ЭИ), погруженным в жидкую непроводящую среду. Следующие друг за другом импульсные разряды определенной длительности и формы производят выплавление и испарение микропорций металла.
Картина происходящих поэтапно в межэлектродном зазоре физических процессов по достижении импульсным напряжением определенного значения между электродом-инструментом 4 и электродом-деталью 1 в диэлектрической 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 образуется канал сквозной проводимости и сопротивление межэлектродного промежутка снижается от нескольких мегаом до долей ома (рис. 13.1, а).
Через канал проводимости в виде импульса выделяется электрическая энергия, накопленная в источнике питания (рис. 13.1, б). При этом происходит электрический разряд 5, длительностью 10-6-10-4с, для которого характерна падающая ВАХ. 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 приэлектродных 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 (рис. 13.1, в).
Параметры импульсных разрядов
Параметры импульсных разрядов в значительной мере определяют эффект электроэрозионной обработки металлов.
Поскольку при прохождении тока разряда межэлектродный промежуток имеет малое сопротивление, амплитудные значения тока в импульсах достигают нескольких миллионов ампер, скорость нарастания тока - до 108 А/с. При этом плотность тока в опорных пятнах разряда составляет 1010 А/см2, а давление в зоне разряда достигает 108 Н/м2.
В составе импульса различают две стадии: рабочую - с импульсом прямой полярности и холостую - с импульсом обратной полярности.
Прямой полярностью импульса считается та его часть, которая вызывает наибольшее разрушение обрабатываемой детали.
Часть импульса, вызывающая разрушение электрода инструмента, называется обратной полярностью импульса.
Униполярные импульсы - это импульсы, разрушающие только изделие.
Количество импульсов в секунду называется частотой импульсов. Величину, обратную частоте, называют периодом. Он состоит из длительности импульса и паузы между импульсами. Отношение периода импульса к его длительности называют скважностью. Скорость нарастания тока называют крутизной импульса.
Параметрами импульсов также являются максимальные и средние значения тока и напряжения, максимальная и средняя мощность импульса и его энергия.
Генераторы импульсов
Требования к генераторам импульсов (ГИ) включают в себя: а) формирование импульсов с заданными параметрами: амплитудой, длительностью, частотой, скважностью, б) необходимость достижения высокого КПД. При этом необходимо учесть свойства межэлектродного промежутка (МЭП) - резко нелинейного элемента электрической цепи.
Стабильность импульсов тока - постоянство их длительности зависит от постоянства свойств промежутка и крутизны переднего фронта импульса напряжения. Чем больше эта крутизна, тем стабильнее импульсы тока.
Импульсные генераторы различают по принципу действия, конструкции и параметрам импульсов. ГИ условно подразделяют на зависимые, ограниченно зависимые и независимые. В первых из них параметры генерируемых импульсов определяются физическим состоянием межэлектродного промежутка. В независимых генераторах импульсы не связаны с состоянием МЭП.
В основе ГИ лежит накопление энергии в реактивных элементах конденсаторе или индуктивной катушке и последующей отдаче ее в виде разряда в МЭП.
Релаксационные генераторы могут иметь разные модификации.
RС-генератор импульсов (рис. 13.2, а) состоит из последовательно соединенных ИП G, ключа К, токоограничивающего сопротивления R1и накопительного конденсатора С1, подключенного параллельно МЭП.
LC-генератор (рис. 13.2,б) имеет обмотку вибратора L, через которую протекает зарядный ток конденсатора С. Вначале он притягивает якорь Я электромагнитного вибратора и увеличивает МЭП, поднимая ЭИ.
К концу зарядки конденсатора ток через обмотку вибратора постепенно спадает, удерживающая якорь вибратора электромагнитная сила ослабевает и электроды начинают сближаться, уменьшая МЭП. После пробоя промежутка и прохождения импульса тока цикл работы генератора повторяется. Частота импульсов определяется соотношением L и С.
RLC-генераторы (рис. 13.2, в) имеют в зарядной цепи индуктивность L, что позволяет уменьшить сопротивление R, потери активной энергии на нем, следовательно повысить КПД. Такие генераторы работают при более низком напряжении, чем RС-генераторы, так как при наличии резонанса между индуктивностью и емкостью напряжение на конденсаторе-накопителе оказывается больше напряжения источника питания.
СС-генератор импульсов (рис. 13.2, г), в котором в качестве токоограничивающего элемента используется конденсатор С1,имеет более высоким КПД по сравнению с LC-генератором. Частотные свойства СС-генератора определяются в основном частотными характеристиками диодов выпрямителя В.
Статические ГИ обеспечивают временные и энергетические параметры в широком диапазоне при отсутствии накопительных элементов. В них легко формируются прямоугольные и униполярные импульсы. Конструктивно они выполнены в основном на транзисторных или тиристорных полупроводниковых приборах.