Глава 2. Технологические показатели

ПРОЦЕССА ЭЛЕКТРОЭРОЗИОННОЙ ОБРАБОТКИ

§ 2.1. Производительность

Многократно повторяя импульсы, можно удалить слой металла по всей обрабатываемой поверхности. Для поддержания процесса необходимо постоянно сближать электроды. Через некоторое время обработанный участок заготовки повторит форму, обратную форме электрода-инструмента. Производительность Q процесса электро­эрозионной обработки оценивается отношением объема или массы удаленного металла ко времени обработки. Такой критерий оценки неприменим для способа разрезания заготовок непрофилированным электродом, так как объем металла, удаленного за счет эрозии, не­значителен, а его основная часть удаляется в виде цельного куска. Под производительностью обработки непрофилированным электро­дом понимают отношение площади боковой поверхности паза ко времени обработки. Площадь боковой поверхности определяется произведением длины пути, пройденного проволочным электродом-инструментом в направлении подачи за время обработки, на тол­щину заготовки. Так же можно оценивать производительность раз­резания диском и лентой. Здесь ширина паза не сказывается на форме и размерах заготовок, поэтому ее можно не учитывать.

Если бы удалось вести процесс при постоянной энергии импуль­сов, то производительность можно было бы оценить как произведе­ние энергии импульсов на их частоту. На практике условия проте­кания каждого отдельного импульса могут отличаться из-за раз­личий в состоянии межэлектродного промежутка и размера зазора, несоответствия между числом импульсов, выработанных генерато­ром и реализуемых в зазоре, а также из-за прочих причин. При расчете

где А_И - энергия импульса; ψ - коэффициент, учитывающий коли­чество холостых импульсов: ψ=f/f_Г.И. (здесь f_Г.И. - частота импуль­сов, вырабатываемых генератором; f - частота импульсов, вызы­вающих эрозию).

Для получения высокопроизводительного режима необходимо, чтобы ψ был ближе к единице, т. е. чтобы как можно больше им­пульсов участвовало бы в процессе эрозии. При малой частоте им­пульсов ψ ≈ 0,85, в случае высокой частоты ψ ≈ 0,75. Через а обо­значен объем металла, снимаемого одним или несколькими импуль­сами с суммарной энергией 1 Дж. Объем расплавленного металла можно найти из уравнения (1.4), если принять температуру Т на 50... 100 К выше температуры плавления материала электрода. Введя коэффициент k= ψa и выразив частоту через длительность импульса f=1/(qτ_И), расчет ведут по зависимости

где q - скважность; k - коэффициент, который находят экспери­ментально, зависит от вида и состояния рабочей среды, ее прокач­ки, материалов и размеров электродов, характеристики импульсов. Таким образом, повысить производительность можно, если по­добрать оптимальное сочетание факторов, позволяющих увеличить долю полезной энергии импульса, его мощность и частоту следова­ния рабочих импульсов. Для этого необходимо достичь оптималь­ного соотношения между максимальным значением силы тока I_max в импульсе и его длительностью τ_И. Например, в случае режимов обработки со средней силой тока 10... 100 А наибольшая произво­дительность может быть достигнута при соотношении I_max/τ_И = 5...8МА/с.

Для черновых операций используют импульсы с энергией более 1 Дж, для чистовых - от 0,1 до 1 Дж и отделочных - менее 0,1 Дж. Технологические показатели рассматриваются для жидкой диэлек­трической среды.

При малой площади обработки число участков, на которых воз­можен разряд, значительно меньше, чем число импульсов, посту­пающих от генератора, так как часть площади перекрыта газовы­ми пузырями от предшествующих разрядов. Время существования газового пузыря в 5...10 раз больше, чем длительность импульса. А разряд через газ возможен только при более высоком напряжении, поэтому часть импульсов генератора не вызывает эрозии. Снижается коэффициент ψ, а следовательно, и производительность Q.

Если увеличивать площадь обрабатываемой поверхности, то ско­рость съема металла будет возрастать, но в дальнейшем произой­дет ее снижение. Это объясняется тем, что с течением времени ухудшаются условия удаления продуктов обработки из межэлек­тродного промежутка. Все большее число импульсов генератора не будет вызывать эрозии из-за накопления газов и металлических частиц в пространстве между электродами.

Количество продуктов обработки зависит также от энергии им­пульсов, их числа и времени действия, т. е. от мощности, реализуе­мой в межэлектродном промежутке. При малой мощности количе­ство расплавленного металла невелико, с ростом подводимой мощ­ности оно возрастает, но при этом увеличивается и количество продуктов обработки, которые тормозят процесс съема металла. Для получения высокой производительности необходимо правильно выбрать сочетание площади обрабатываемой поверхности и мощ­ности. Такой выбор выполняют с помощью пространственных диаг­рамм в координатах сила тока - площадь обработки - производительность.

При разрезании заготовок непрофилированным электродом-ин­струментом влияние площади обработки учитывают через произве­дение толщины заготовки на ширину паза, которая зависит от диаметра электрода-инструмента. Наибольшее влияние на произво­дительность толщина заготовки оказывает при использовании прово­локи диаметром менее 0,1…0,15 мм, когда условия удаления продуктов обработки из паза неблагоприятны. Если толщина заготовки больше 25 ... 30 мм, то скорость разрезания снижается. Для заготовок толщиной свыше 30 мм необходимо применять проволоч­ные электроды-инструменты с диаметром не менее 0,2... 0,25 мм.

По мере углубления отверстия усложняется удаление продуктов обработки и поступление свежей жидкости в межэлектродный про­межуток. Наличие большого количества электропроводных капель застывшего металла вызывает импульсы, энергия которых тратится на вторичное расплавление таких частиц. Для предотвращения та­ких «паразитных» импульсов используют принудительную прокачку жидкости через межэлектродный промежуток под давлением 100... 200 кПа. Это в свою очередь требует повышения жесткости техно­логи ческой системы.

Прокачку можно применять и при периодическом прекращении процесса с выведением электрода-инструмента из заготовки; ис­пользуют также вибрацию электродов, их вращение и др. При вы­ведении электрода-инструмента загрязненная жидкость удаляется из зоны обработки, а туда поступает свежая. Цикл такой замены 15...30 с при скорости перемещения электрода-инструмента 5... 6 мм/мин.

Если площадь обрабатываемой поверхности постоянна по глу­бине, то скорость линейной подачи электрода-инструмента

где S — площадь проекции обрабатываемой поверхности на плос­кость, перпендикулярную направлению подачи; Q — производитель­ность, находимая по формуле (1.6). По известной скорости подачи можно рассчитать время обработки на станке и трудоемкость опе­рации.

Если площадь переменная, то на чертеже обрабатываемого уг­лубления перпендикулярно направлению подачи электрода-инстру­мента проводят секущие плоскости. Число сечений выбирают та­ким, чтобы с достаточной точностью установить закон изменения площади сечений по глубине обработки. Во всех случаях число сечений не должно быть менее 4. Для каждого сечения находят площадь обрабатываемой поверхности. По диаграммам, прилагае­мым к станкам, для каждого сечения определяют производитель­ность. Затем по формуле (1.7) рассчитывают среднюю скорость подачи и устанавливают закон изменения скорости электрода-инст­румента по глубине.

В зависимости от свойств рабочей среды изменяются доля по­лезного использования энергии импульса, его предельная мощность. Для каждого вида обработки применяют оптимальные диэлектри­ческие среды. Так, при злектроэрозионном процессе с малой энер­гией импульса высокую производительность обеспечивает дистил­лированная и техническая вода, керосин; при грубых режимах на электроимпульсном режиме применяют тяжелые фракции нефти (масла, дизельное топливо и др.) с высокой температурой вспышки (до 450 К).

В процессе обработки жидкая рабочая среда загрязняется, из-за, чего снижается производительность. Загрязненность оценивают процентным отношением массы продуктов обработки к массе жид­кости. При загрязненности до 4... 5% для черновых и 2... 3%'для чистовых режимов производительность остается практически одина­ковой по сравнению с чистой средой. Дальнейшее возрастание со­держания продуктов обработки, особенно на чистовых режимах,, приводит к снижению числа рабочих импульсов и производительности.

В процессе остывания частицы металла вызывают испарение-части жидкости, изменение ее вязкости и зольности. Для поддер­жания высокой производительности необходимо периодически за­менять рабочую среду.

Глубина лунки, получаемой на заготовке после каждого импуль­са, при одинаковых условиях обработки зависит от свойств обраба­тываемого металла (температуры плавления, температуропровод­ности и энтальпии в расплавленном состоянии). Обрабатывае­мость оценивают отношением массы снятого исследуемого' металла к массе металла, снятого с заготовки из стали 45 при оди­наковых условиях обработки. Сталь 45 выбрана как наиболее ши­роко применяемый конструкционный материал.

Вольфрам при прямой полярности имеет коэффициент обраба­тываемости 0,7; молибден — 0,8; алюминий—1,5; магний — 2,5. Обрабатываемость железа близка к единице. Чугун имеет низкую1 обрабатываемость из-за включений свободного графита. Жаропроч­ные сплавы благодаря низким температуропроводности и теплосо­держанию в расплавленном состоянии обрабатываются лучше ста­ли 45.

Для повышения производительности на обрабатываемой площа­ди может быть параллельно размещено несколько электродов-ин­струментов. Если они подключены к одному генератору импульсов, то такая обработка называется многоэлектродной. При подключении каждого электрода к своему источнику питания обработку называют многоконтурной. На схеме, приведенной на рис. 1.15, показаны параллельно работающие от общего генератора электроды-инструменты 1, 2, 3, которыми прошивают отверстия в заготовке 4, т. е. имеет место много­электродная обработка.

Рис. 1.15

Многоконтурный и многоэлектродный ви­ды обработки возможны при изготовлении одной или нескольких деталей. Повышение производительности достигается за счет со­кращения доли холостых импульсов.

Для многоконтурной и многоэлектродной обработки расчет про­изводительности следует выполнять по формуле, аналогичной (1.6), с учетом числа инструментов n

Здесь k₁ = kk_м, где k_м - коэффициент, учитывающий взаимное влия­ние контуров или электродов на скорость эрозии. При числе конту­ров n = 6 k_м = 0,65; при n = 20 k_м ≈0,5. Чтобы сохранить высокую производительность и не усложнять оборудование, число контуров обычно не превышает 9...10; число электродов в одной оправке может достигать сотен штук.

При электроконтактной обработке в воздушной среде скорость съема металла зависит от тех же факторов, что и при эрозии в жидкости. Однако условия теплообмена в рассматриваемом слу­чае имеют существенные отличия. Электроды при работе постепен­но нагреваются до высоких температур, что не наблюдается при работе в жидкостях. При этом способе используются большие токи, а поскольку зависимость скорости съема от среднего тока имеет характер, близкий к линейному, то производительность процесса можно оценивать через силу тока:

Q = k₂I,

где k₂ - коэффициент, учитывающий режим обработки и материал электродов.

При разрезании заготовок производительность

где k₃ = k₂/b (b - толщина заготовки).

Скорость электроконтактного разрезания материалов в воз­душной среде достигает 2...3 мм/с, что в 5...10 раз выше, чем при механической обработке.

Производительность легирования оценивают отношением пло­щади нанесенного слоя ко времени. Она зависит от режима обра­ботки и материала электрода-инструмента. Если наносят твердые сплавы, то скорость покрытия составляет в зависимости от режи­мов 2...8 мм²/с, в случае серебрения - до 15...20 мм²/с. Толщина слоя обычно не превышает 0,08...0,12 мм.