Электроэрозионная обработка

ВВЕДЕНИЕ

Данные методы обработки, основанные на тепловых электрохимических и химических эффектах воздействия на твердое тело, используются как для формообразования поверхностей заготовки, так и для сварки, плавки, балансировки, изменения свойств поверхностного слоя изделия и других операций, что значительно расширяет возможности технологии конструкционных материалов. В данном пособии основное внимание уделяется размерным методам обработки.

Электрические и химические методы включают в себя следующие виды обработки: электроэрозионную, ультразвуковую, электроннолучевую, лазерную, ионно-лучевую, плазменную, электрохимическую, химическую, а также комбинированные методы, основанные на сочетании вышеперечисленных процессов, к которым относятся анодно-механическая, электроэрозионно-химическая, ультразвуковая электрохимическая обработка, абразивно-электрохимическая, ионно-химическая, плазмохимическая и другие.

Основными характерными свойствами перечисленных методов, обеспечивающими им преимущества по сравнению с механической обработкой, являются:

· независимость обрабатываемости материала от его твердости и вязкости (за исключением ультразвуковой обработки, при которой вязкость материала снижает его обрабатываемость);

· обработка изделия практически без силового воздействия на него, что позволяет изготовлять маложесткие детали;

· возможность копирования сложной формы инструмента сразу по всей поверхности заготовки при простом поступательном перемещении его, что увеличивает производительность обработки и упрощает кинематику оборудования;

· возможность полной автоматизации процессов и гибкость управления ими;

· решение задач, которые невозможно выполнить традиционными методами (получение изделий без остаточных напряжений, изготовление отверстий, пазов с шириной до десятых долей микрометра и др.). В то же время электрическим методам присущ основной недостаток - высокая энергоемкость процессов. Технологические характеристики некоторых электрических методов представлены в таблице 1.

1. Технологические характеристики некоторых электрических методов обработки

Метод Наибольшая Точность Шерохова- Глубина Удельный

производи- квалитет тость по- измерен. расход

обработки тельность, верхности, поверхн. энергии,

слоя

мм³ /с R_z ,мкм мкм МДж/кг

Электро- 200 6-12 0.8-360 10-1500 25-430

эрозионный (по стали)

Ультра- 160 7-11 0,8-10 до 40 21-900

звуковой (по стеклу)

Электро- 1600 8-12 1,6-10 нет 28-90

химический

Электронно-

лучевой 6 9-14 10-160 10-80 2900

Лазерный 2 9-14 1,6-160 10-100 3500

Абразивно- 200

электро- (магнитные 6-7 0,2-1,6 10-20 25-50

химический сплавы)

Ультразву- 6

ковой элект- (по твердо- 9-11 1,6-6 10-30 21-30

рохимический му сплаву)

Анодномеха-

нический 500 7-12 1,6-400 50-2000 11-90

ЭЛЕКТРОЭРОЗИОННАЯ ОБРАБОТКА

Электроэрозионная обработка (ЭЭО) основана на разрушении токопроводящего материала под действием тепла, вызываемого электрическими импульсными разрядами, возбуждаемыми между обрабатываемой заготовкой и электродом-инструментом (ЭИ), расположенными на определенном промежутке друг от друга, заполненным диэлектрической жидкостью (керосином, техническим маслом, водой и т.д.) (см.рис.1.1).

Основные достоинства ЭЭО: а) возможность обработки токопроводящих материалов любой механической прочности, твердости, вязкости, хрупкости; б) отсутствие необходимости в специальном высокопрочном инструменте (материал рабочей части инструмента: медь, латунь, графит и др.); в) снижение трудоемкости изготовления сложных поверхностей из трудно обрабатываемых материалов; г) высокая точность обработки.

Недостатки : а) обратная зависимость между производительностью и качеством обработки; б) наличие износа ЭИ; в) наличие дефектного (измененного) слоя на обработанной поверхности.

Для ЭЭО используют импульсы большой силы тока (до тысяч ампер) и низкого напряжения (50-300) В, с энергией от десятков джоулей до микро джоулей, длительностью 10 -10 с, скважностью 1-30 и частотой следования импульсов (50-1,5 10 ) Гц.

Полярность включения электрода заготовки (ЭЗ) и инструмента: прямая, когда ЭИ - катод, ЭЗ - анод; обратная: ЭИ - анод, ЭЗ - катод. Выбор полярности определяет производительность и точность обработки.

ЭЭО в зависимости от режима обработки иногда подразделяют на электроискровую, электроимпульсную, высокочастотную и другие разновидности. Появление генераторов импульсов, обеспечивающих широкий диапазон режимов, привело к взаимному перекрытию указанных разновидностей и позволило отказаться от подобного деления, так как механизм удаления материала во всех случаях одинаков.

Удаление материала с поверхности заготовки представляет сложный комплекс физических явлений (см. рис. 1.1 б) в основе которых лежат электротермохимические процессы. Благодаря концентрации энергии в канале импульсного разряда (8) между ЭИ и ЭЗ развивается высокая температура (5000-40000 С), при которой микропорции материала заготовки и инструмента плавятся и частично испаряются. Распространение паров за пределы канала разряда (8), а также процесс расширения канала приводят к образованию газового пузыря (9) в жидкости. В результате развивающихся в канале разряда и газовом пузыре динамических сил микропорции расплавленного материала ЭИ (7) и ЭЗ (10) выбрасываются за пределы электродов и застывают в жидкости в виде мелких частиц сферической формы (13).

Параллельно осуществляется разложение диэлектрической жидкости (пиролиз) с образованием газообразных продуктов (12), также тонкой пленки кристаллического графита на медных и графитовых электродах - инструментах, защищающей их от износа. После разряда происходит деонизация промежутка. Следующий разряд возникает в новом месте между поверхностями ЭИ и Э3. Так происходит до тех пор, пока разряды не удалят с них все участки металла, которые находятся на пробивном расстоянии. Для возобновления процесса необходимо сблизить ЭИ и Э3, что осуществляется с помощью систем автоматического регулирования межэлектродного зазора (МЭ3), в которых в качестве параметра регулирования обычно используют напряжение на межэлектродном промежутке, либо ток, проходящий через него. Схема взаимосвязи основных физических процессов и технологических показателей ЭЭО представлена на рис. 1.2.

Эффект эрозии различных металлов и сплавов, производимый импульсами одинаковыми по своим параметрам, различен. Некоторые металлы, сплавы разрушаются очень интенсивно, другие мало поддаются воздействию импульсных разрядов. Зависимость интенсивности эрозии от свойств материалов называется электроэрозионной обрабатываемостью. Так как в основе процесса съема материала лежат тепловые воздействия, то обрабатываемость определяется теплофизическими характеристиками материалов

Рис.1.1. Схема электроэрозионной обработки (а) и процессов в межэлектродном промежутке (б)

1- электрод-инструмент, 2- рабочая жидкость, 3- электрод-заготовка, 4- ванна, 5- рабочий стол, 6- генератор импульсов (ГИ), 7,10- микропорции расплавленного металла ЭИ и ЭЗ, 8- канал разряда, 9- газовый пузырь, 11- пузырек пара или газа, 12- продукты пиролиза, 13- частицы металла, б_л - межэлектродный зазор.

Рис.1.2. Схема взаимосвязи основных физических процессов и технологических показателей ЭЭО

(температурами плавления и кипения, теплопроводностью и теплоемкостью). При прочих равных условиях обрабатываемость может быть оценена по критерию базового превращения Л.С. Палатника (П), пропорционального времени расплавления некоторого объема металла:

П=С hТ²п

(1.1) где С - теплоемкость, h - коэффициент теплопроводности, - плотность материала, Тп - температура плавления материала. Чем больше П, тем при прочих равных условиях, выше эрозионная стойкость и соответственно ниже обрабатываемость данного металла.

При ЭЭО наблюдается явление неодинаковой эрозии электродов (даже если они изготовлены из одинаковых материалов), которое называется эффектом полярности. На практике для обеспечения наибольшего полярного эффекта (т.е. наименьшего износа инструмента и наибольшей производительности ) в качестве материала инструмента обычно применяют медь, латунь, графит, чугун, медно-вольфрамовые сплавы и другие. Объемный относительный износ инструментов из различных материалов в процентах, который представляет собой отношение объема разрушенной части ЭИ к объему материала ЭЗ, удаленного за одно и то же время, находится в пределах (0,1-200)%. Наименьший износ (0,1-1)% получают при работе графитовыми и медными ЭИ.

Материал и метод изготовления ЭИ (механическая обработка, гальванопластика, металлизация напылением, штамповка, прессование) следует выбирать в зависимости от вида электроэрозионной операции, материала детали, режимов, площади обработки, сложности обрабатываемой поверхности, её точности, шероховатости, а также объема выпуска изделий.

Производительность ЭЭО ( ) характеризуется количеством снятого металла в единицу времени и определяется

(1.2) Q=q_u*f=k*Wu*f=k*Pcp

где q_u - величина эрозии за один импульс; f - частота следования импульсов; Wu - полная энергия импульса; k - коэффициент пропорциональности, зависящий от теплофизических констант материала и заготовки и инструмента, свойств диэлектрической жидкости, площади и глубины обработки, способа эвакуации продуктов процесса и других факторов; Pcp - средняя мощность, выделяющаяся в промежутке.

Из формулы (1.2) следует, что при неизменной производительности процесса удалять металл с обрабатываемой заготовки можно двумя путями: а) при помощи импульсов с большой энергией и малой частотой их следования, б) импульсами небольшой энергии, но следующих с весьма большой частотой. Для приборостроения наиболее приемлемым является второй вариант, так как он позволяет получать детали с высокой точностью и качеством поверхности.

Зависимость от площади и глубины обработки объясняется тем, что при малой площади инструмента высокая производительность недостижима из-за невозможности подведения большой мощности, так как обильное выделение газов и твердых частиц металла прерывают процесс обработки. При очень большой площади (а также глубине) обработки затрудненная эвакуация продуктов эрозии также препятствует увеличению подводимой мощности. Для увеличения производительности применяют один из возможных способов принудительного удаления продуктов процесса: вибрацию, вращение инструмента (заготовки) или нагнетание жидкости в зазор. Установлено, что каждому значению площади обработки при данных режимах соответствует своя оптимальная мощность, обеспечивающая наибольшую производительность, которая при объемном копировании сложных поверхностей в заготовках из стали может достигать 16-200 мм /с. Скорость съема различных материалов находится в пределах 0,2+12 мм/мин.

Качество поверхности. Микрорельеф поверхности после ЭЭО более неоднороден, чем при резании и представляет собой результат наложения друг на друга огромного числа лунок, возникающих под действием единичных импульсов. Цвет поверхности обычно матовый, так как лунки рассеивают свет. Высота микро неровностей зависит в первую очередь от энергии импульса и свойств обрабатываемого материала. Чем выше электроэрозионная обрабатываемость материала, тем большую высоту микро неровностей имеет обработанная поверхность. В зависимости от материала заготовки и электрического режима шероховатость поверхности может изменяться в пределах от Rz = 360 мкм до 0,8 мкм.

Поверхностный слой материала обрабатываемой заготовки подвергается локализованному и кратковременному, но весьма интенсивному термическому и химическому воздействию. В результате на поверхности заготовки образуется слой, сильно отличающийся от основного материала по своим физико-механическим свойствам (изменяется структура, твердость, появляются трещины и т.д.). Величина измененного слоя зависит от энергии импульсов, их длительности и теплофизических свойств обрабатываемого металла и находится в пределах от десятых до тысячных долей миллиметра. Вследствие хрупкости и неравномерной плотности в большинстве случаев поверхностный слой является дефектным. Он снижает прочностные свойства металла, поэтому при изготовлении ответственных деталей его удаляют.

В поверхностном слое заготовки возможно также возникновение остаточных напряжении, обусловленных тепловыми процессами на поверхности ЭЗ. Общая картина напряженного состояния поверхностного слоя представляет собой результат суммарного воздействия растягивающих (иногда сжимающих) напряжений, которые возникают вследствие кристаллизации и фазовых превращений обрабатываемого материала. Величина и глубина распространения остаточных напряжений зависят от параметров импульсов, свойств материала и физико-химических свойств оплавленного поверхностного слоя.

Уменьшение остаточных напряжений при ЭЭО достигается применением мягких режимов, а в ряде случаев обработкой заготовки, нагретой до температуры структурных превращений с последующим охлаждением её вместе с рабочей жидкостью или на воздухе.

На точность ЭЭО влияет ряд технологических факторов, основными из которых являются следующие: геометрические неточности электроэрозионного станка, неточности изготовления инструмента, неточности установки заготовки и инструмента на станке, инерционность системы автоматического регулирования зазора, износ ЭИ, параметры режима обработки, способ и скорость удаления продуктов эрозии из рабочей зоны и др. Способы ЭЭО позволяют изготовлять детали приборов с точностью 6-12 квалитета.

Электроэрозионные станки делятся на копировально-прошывочные (мод. 4720М, 4Е723, 4Д722АФЗ и др.); шлифовальные, вырезные для обработки деталей электродом-проволокой (мод. 4А731, 4531Ф3, 4733ПФ3), а также станки для разрезания заготовок диском, лентой. Наибольшее распространение получили копировально-прошивочные станки (см. рис.1.3), основными элементами которых являются: станина; инструментальная головка с ЭИ и регулятором подачи для поддержания заданного межэлектродного зазора; ванна со столом для установки заготовки и с рабочей жидкостью; механизмы относительного перемещения ЭИ и ЭЗ; система очистки рабочей жидкости и подачи её в зону обработки; генератор импульсов (ГИ) и другие элементы.

В настоящее время для ЭЭО применяют различные схемы ГИ, которые преобразуют электрическую энергию переменного тока промышленной частоты в периодические импульсы высокой частоты.

Копировально-прошивочные станки применяются для формообразования сложных внутренних и наружных поверхностей площадью до нескольких квадратных метров, прошивания отверстий диаметром 0,02 мм и более, отверстий с криволинейной осью, изготовления деталей с узкими щелями, тонкими перемычками, а также для клеймения, гранирования и нарезания резьб (обычно с шагом более 1 мм). Процесс в зависимости от габаритов обрабатываемой поверхности и режима обеспечивает точность в пределах 6-12 квалитета (0,5-0,005мм), шероховатость поверхности Rz = 360-0,8 мкм и позволяет снизить трудоемкость изготовления деталей приборов из прочных и трудно обрабатываемых материалов в 1,5-5 раз.

Примеры копировально-прошивочных операций представлены на рис. 1.4. а, б, в.

Электроэрозионное шлифование - процесс обработки поверхностей вращающимися ЭИ. Шлифование осуществляется торцем или периферией электрода-диска, изготовленного из латуни, чугуна иди графита (рис. 1.4 г, д, е). Для внутреннего шлифования отверстий малого диаметра в качестве ЭИ применяют проволоку. Рабочей средой служит индустриальное масло или его смесь с керосином (1:1).

Процесс обеспечивает на мягких режимах точность 7-8 квалитета, шероховатость поверхности Rz = 3-0,2 мкм и применяется для шлифования магнитопроводов из изолированных пластин электротехнической стали, рабочих элементов твердосплавных штампов, фасонных резцов, калибров, цанг и других изделий из трудно обрабатываемых материалов основного и вспомогательного производства приборов.

Обработка не профилированным ЭИ (проволокой) (рис. 1.4 ж) применяется для изготовления сложно контурных отверстий, пазов, наружных профилей, прорезания узких щелей и разрезания различных материалов. Процесс предложен в 1945 году Г.Л. Перфильевым и Б.В. Бауэром. В качестве ЭИ используется тонкая проволока (1) диаметром 0,006-0,3 мм из латуни, меди, вольфрама, которая для устранения влияния износа инструмента на точность обработки непрерывно перематывается с одной катушки (4) на другую (3) так, что в рабочей зоне участвуют все новые её элементы. ЭЗ (2) закрепляется на столе (5), который перемещается относительно ЭИ по заданной траектории с помощью какой-либо системы программного управления (копировальной, фотокопировальной, системы ЧПУ или мини-ЭВМ).

Рабочей жидкостью служит керосин или вода (промышленная, дистиллированная, либо деионизованная), процесс обычно осуществляется на прямой полярности.

Рис.1.3. Схема электроэрозионного станка (а), формы импульсов напряжения и тока, используемые в ЭЭО (б) :

1- генератор импульсов, 2- электрод-инструмент, 3- инструментальная головка, 4- станина, 5- заготовка, 6- рабочий стол, 7- ванна, 8- бак с рабочей жидкостью, 9- фильтр, 10- насос.

.

Производительность обработки составляет 0,003 - 0,5 мм /с, точность (+/-) 0,02- 0,003 мм, а шероховатость поверхности Ra =0,6-2 мкм.

Процесс широко применяется для изготовления инструментальной оснастки (матриц, пуансонов, шаблонов, калибров, резцов из твердого сплава и т.д.). На заводах электронной, радиоэлектронной и вычислительной техники этот способ используют для точного изготовления как относительно больших деталей, например, пружин длиной до 300 мм и медных гребенок длиной до 45 мм, так и миниатюрных и сверхминиатюрных деталей с очень высокими требованиями по точности (0,5 - 2 мкм) и шероховатости (Ra = 0,16 - 0,04 мкм) поверхности. Например, в элементах замедляющих систем электронных приборов прорезают перекрещивающиеся или зигзагообразные пазы с шириной в пределах 100 - 7 мкм.

Рис. 1.4. Схемы электроэрозионных операций :

а- нарезание резьбы, б- прошивание отверстий сложного профиля, в- прошивание криволинейных отверстий, г- шлифование плоскостей, д- профильное шлифование, е- шлифование электродом-проволокой, ж- вырезание электродом- проволокой: 1- инструмент-проволока, 2- заготовка, 3,4- катушки, 5- рабочий стол.