4.1. Электроэрозионная обработка

Электроэрозионная размерная обработка (ЭЭО) основана на удалении материала заготовки электрическими импульсными разрядами, возникающими при пробое диэлектрических или слабопроводящих сред. Выделяющаяся при этом тепловая энергия производит локальное плавление и испарение материалов электродов. Выброшенный электродинамическими и газодинамическими силами из зон воздействия электрического разряда расплавленный и испаренный материал кристаллизуется в рабочей жидкости, образуя дисперсные частицы (шлам). Каждый электрический разряд удаляет с поверхности детали определенный объем материала. Очевидно, что этот объем зависит от значения и плотности энергии разряда и баланса тепла в зоне воздействия разряда.

Электроэрозионная обработка широко применяется для формообразования деталей сложной конфигурации из труднообрабатываемых материалов (твердых сплавов, жаропрочных сталей и сплавов, закаленных сталей и др.). При изготовлении групп изделий, таких как вырубные и отрезные штампы, фильеры, фасонные резцы и фрезы, сложноконтурные высокоточные детали, она не имеет альтернативы или ощутимой конкуренции среди других видов обработки. ЭЭО не считается нетрадиционным методом обработки и в настоящее время по широте применения занимает четвертое место после фрезерования, токарной обработки и шлифования. Продажи электроэрозионных станков возросли с 0,5 % в 1960 г. до почти 6 % рынка металлообрабатывающих станков в 1998 г.

Сегодня ЭЭО стала средством получения недорогой высокоточной продукции в инструментальном и основном производстве. В настоящее время три из десяти электроэрозионных станков закупают для производства деталей основного производства, а остальные — для инструментального. Существует тенденция увеличения применения ЭЭО в основном производстве, особенно опытном. Это связано с тем, что электроэрозионная обработка дает значительный выигрыш за счет снижения трудоемкости подготовительного производства, универсальности, высокой точности. Преимущество электроэрозионной обработки заключается в том, что путь от чертежа до готовой детали значительно сокращается. Это позволяет существенно ускорить производство новых образцов изделий.

Электроэрозионная обработка целесообразна в следующих случаях:

• для получения изделий с очень тонкими стенками;

• обработки пазов и щелей с большим отношением глубины к ширине;

• изготовления выемок с малыми внутренними радиусами;

• обработки очень мелких деталей и отдельных мелких элементов;

• обработки сложных поверхностей, которые нельзя или сложно получить методами резания;

• взамен обработки специальными дорогостоящими режущими инструментами в условиях мелкосерийного производства;

• при изготовлении деталей из закаленных сталей, твердых сплавов, вязких труднообрабатываемых резанием материалов;

• если необходимо избежать образования заусенцев в труднодоступных местах.

При электроэрозионной обработке происходит множество взаимосвязанных процессов: электрических (пробой диэлектрической среды, протекание тока в форме электрического разряда), тепловых (нагрев, плавление и испарение материалов электродов, кипение среды), химических и металлургических (пиролиз рабочей жидкости, образование на поверхностях и в межэлектродном промежутке химических соединений, диффузия, кристаллизация), механических (ударная волна, движение жидкости, вынос продуктов разрушения).

Пробой межэлектродного промежутка (МЭП) вызывается напряжением пробоя (рис. 4.1). Его значение зависит главным образом от межэлектродного расстояния и свойств рабочей среды. После наложения импульса напряжения пробой МЭП развивается некоторое время t_пр = 10^-3...10^-7 с до образования канала сплошной проводимости (канала разряда).

Рис. 4.1. Изменение тока и напряжения во времени (а) и физико-химические процессы при ЭЭО (б): 1,2 — электроды; 3 — канал разряда; 4 — рабочая среда; 5 — газовый пузырь; 6 — пузырек пара; 7 — твердая частица; 8 — продукты пиролиза

Образование канала разряда сопровождается резким падением напряжения и скачкообразным увеличением силы тока. Искровая стадия разряда t_И.Р имеет порядок 10^-7 с и характеризуется звуковым, световым и тепловым эффектами. Диаметр канала разряда на искровой стадии очень мал, а плотность потока мощности велика, поэтому микропорции материала электродов удаляются с поверхности преимущественно за счет испарения.

В процессе развития разряда рабочая среда приходит в движение, канал разряда расширяется, снижается плотность потока мощности и ток стабилизируется. Начинается стадия дугового разряда. Вокруг канала разряда образуется газовый пузырь, давление в котором сначала нарастает до 10⁶ Па, а после окончания разряда снижается до значений ниже атмосферного. Это приводит к взрывообразному вскипанию перегретого металла и выбросу его из лунки в виде жидкой фазы.

На электродах протекают процессы нагрева, плавления, испарения металла и его эвакуации. Результирующая скорость удаления металла из лунки является сложной функцией указанных процессов, до сих пор не имеющей адекватного аналитического описания. Обсудим качественную модель, основанную на том, что энергия импульса W_И, вводимая в МЭП, расходуется на производство частил металла со скоростью V₁ и эвакуацию продуктов эрозии со скоростью V₂. Обозначив результирующую скорость обработки через V_Р, получим следующее соотношение:

если V₁ < V₂, то V_p = V₁;

если V₂ < V₁, то V_p ≤ V₂.

Это означает, что V_Р не может превышать наименьшего из значений V₁ и V₂, т. е. V_Р ≤ min (V₁, V₂).

Процессы производства и эвакуации частиц охвачены внутренними отрицательными обратными связями, регулирующими соотношение между V₁ и V₂.

Первая из них связана с повторным диспергированием частиц. Если скорость эвакуации продуктов разрушения падает из-за увеличения сопротивления движению частиц на трассе эвакуации (увеличение площади и глубины обработки, снижение МЭП), то в застойных зонах накапливаются не эвакуированные частицы. Это приводит к уменьшению местного зазора и возбуждению в рассматриваемой зоне наибольшего числа разрядов. Произойдет повторное диспергирование частиц на более мелкие фракции, эвакуация которых облегчена. На это израсходуется часть энергии, следовательно, производство новых частиц сократится, следовательно, уменьшится результирующая скорость обработки.

Вторая обратная связь регулирует соотношение скоростей V₁ и V₂ путем изменения относительного содержания жидкой и парогазовой фаз в МЭП. Действительно, увеличение содержания газопаровой фазы в МЭП приводит к генерации фиктивных разрядов, практически не производящих новых частиц, что влечет новое устойчивое соотношение между V₁, V₂ и V_Р.

Рис. 4.2. Форма импульса напряжения

Эвакуация продуктов разрушения из МЭП может происходить за счет движения жидкости, вызываемого разрядами (естественная эвакуация), или принудительной прокачкой (искусственная эвакуация).

Для эффективного протекания электроэрозионного процесса необходимо обеспечить его оптимальные условия и режимы:

• параметры генератора электрических импульсов (источника питания);

• полярность подключения электродов;

• требуемый межэлектродный зазор, задаваемый следящей системой или подачей электрода-инструмента;

• состав и свойства рабочей среды;

• условия эвакуации продуктов разрушения из МЭП.

На современном оборудовании для электроэрозионной обработки применяют независимые генераторы электрических импульсов напряжения, позволяющие в широком диапазоне регулировать их параметры, к которым относят (рис. 4.2):

• напряжения холостого импульса U_d, U_on, В;

• длительность импульса напряжения t_d + t_on, мкс;

• длительность поджигающего импульса t_d, мкс;

• длительность рабочего импульса t_on, мкс;

• длительность паузы между импульсами t_off, мкс;

• скважность импульсов

где t_о — период следования импульсов;

• ток короткого замыкания I_К, А;

• форму импульса напряжения.

Рис. 4.3. Форма импульсов тока и напряжения при различных типах разрядов:

I — рабочий разряд; 2 — короткое замыкание; 3 — холостой импульс

На практике используют различные формы импульсов напряжения. Наиболее часто обработку проводят импульсами прямоугольной формы и импульсами, в голове которых задается так называемый поджигающий импульс, улучшающий условия пробоя диэлектрической среды и тем самым увеличивающий долю рабочих импульсов, производящих эрозию материала.

Следует отметить, что не все импульсы, вырабатываемые генератором, производят эрозию материала. Часть их не сопровождается пробоем МЭП, т. е. являются холостыми. Другая часть проходит в период механического контакта электродов (импульсы короткого замыкания). Если контакт электродов достаточно плотен, то и эти импульсы не производят полезной работы. На рис. 4.3 приведены формы изменения напряжения и тока при разных типах разрядов.

Доля полезных (рабочих) импульсов в решающей степени зависит от качества и быстродействия следящей системы, поддерживающей межэлектродный зазор. Работа следящей системы носит динамический характер. Внешне это проявляется в том, что рабочий торец электрода-инструмента совершает колебательные движения относительно обрабатываемой поверхности.

Энергия импульса рассчитывается по выражению

или через средние значения напряжения U_ср и тока I_ср за время протекания импульса t_d + t_оп:

.

От нее зависит объем материала, удаляемого единичным импульсом, и шероховатость обрабатываемой поверхности. Максимально допустимый ток зависит от площади рабочей поверхности электрода-инструмента F и способа ЭЭО:

,

где к — коэффициент пропорциональности. Для операций электроэрозионной прошивки k = 0,02...0,1, проволочной резки k = 0,05...0,15, а прошивки отверстий малого диаметра k = 0,3.. .0,6.

При электроэрозионной обработке используют электроискровой и элек-троимпульсный режимы. Электроискровая обработка производится разрядами с малой продолжительностью существования (от долей до десятков микросекунд), большой скважностью (q > 10) и частотой (до 400 кГц) обычно при прямой полярности подключения электродов (инструмент — катод, заготовка — анод). Ее целесообразно использовать для чистовой обработки.

Электроимпульсная обработка характеризуется применением обратной полярности подключения электродов (инструмент — анод, заготовка — катод), использованием униполярных импульсов длительностью порядка 1000 мкс и скважностью 1...10, работой преимущественно на низких напряжениях (25...30 В) и при больших силах тока (50.. .500 А). Электроимпульсная обработка обеспечивает в десятки и сотни раз большую производительность, чем электроискровая, при значительной шероховатости обработанных поверхностей и малом относительном износе электрода-инструмента. Она используется для предварительной или черновой обработки. Современное оборудование обеспечивает работу как в электроискровом, так и в электроимпульсном режимах, что позволяет производить черновую и чистовую обработку на одном станке при неизменном креплении заготовки.

На рис. 4.4 приведены зависимости основных технических показателей процесса ЭЭО от длительности импульса и тока, протекающего через МЭП.

Фирмой SODICK предложены генераторы, обеспечивающие обработку особо короткими импульсами (рис. 4.5). Для достижения высокой производительности, точности и качества обработка производится в несколько проходов.

На 1-м проходе используют однополярные импульсы с шириной фронта всего 700 не при пиковом токе более 950 А.

На 2-м проходе сжимают фронт импульсов до 100 не, поддерживая при этом ток 90 А. Такие короткие, но мощные импульсы обеспечивают получение изделий с шероховатостью Ra = 2,5 мкм.

Рис, 4.4. Влияние длительности импульсов на производительность (а), шероховатость поверхности (б) и относительный износ инструмента (в) при различных токах /ср, А, протекающих через межэлектродный промежуток

Рис. 4.5. Формы импульсов тока, используемые при черновой (я), получистовой (б) и чистовой (в) обработке

Начиная с 3-го прохода используется режим обработки короткими биполярными токовыми импульсами. На 4-м проходе достигается шероховатость поверхности Ra = 0,18 мкм. Биполярные импульсы на заключительных проходах исключают электролиз и коррозию деталей при обработке в воде.

Основные функции диэлектрической рабочей среды приведены ниже:

1. Изоляционная. Ток через межэлектродный промежуток должен протекать только в результате пробоя в форме электрического разряда. Чем выше сопротивление пробою среды, тем меньше межэлектродный промежуток и больше достигаемая точность обработки.

2. Ионизационная. Условия для возникновения электрического разряда при наложении электрического поля и деионизация межэлектродного промежутка после разряда должны наступать как можно быстрее. Это дает возможность увеличить частоту электрических разрядов и, как следствие, производительность обработки.

Рис. 4.6. Рекомендуемые значения вязкости рабочей жидкости для получения необходимой шероховатости поверхности

3. Удаление продуктов разрушения из межэлектродного зазора и охлаждение поверхности.

Рабочие жидкости должны обладать следующими свойствами:

• вязкостью, адекватной условиям обработки (рис. 4.6);

• высокой диэлектрической проницаемостью, скоростью ионизации и де-ионизации;

• высокой температурой вспышки — необходимым условием пожарной безопасности;

• хорошей фильтруемостью от продуктов разрушения;

• высоким сопротивлением окислению, деструкции и старению;

• низкой токсичностью и минимальным запахом, отсутствием дыма;

• низкой стоимостью;

• способствовать снижению относительного износа инструмента;

• оптимальной плотностью;

• минимальным химическим взаимодействием с материалом детали в условиях, создаваемых при электрических разрядах, и отсутствием коррозии электрода-инструмента и детали;

• c высокими температурами кипения и испарения.

При получистовой и чистовой обработке используют маловязкие среды (ν = 1,8...3 сСт); на черновых режимах при больших межэлектродных зазорах среды с вязкостью ν = 5...6,5 сСт.

В качестве рабочих жидкостей используют керосин с присадками, уменьшающими запах и образование газовых пузырьков, минеральные масла, силиконовые жидкости, дистиллированную воду, водные эмульсии, специально синтезированные углеводородные жидкости разной вязкости с добавками, обеспечивающими производительность и качество обработки, и др.

Производительность, точность и состояние поверхностного слоя после ЭЭО зависят от множества взаимосвязанных факторов, которые условно можно объединить в две основные группы: электрические режимы и условия обработки.

Обрабатываемость материалов при ЭЭО зависит от их теплофизических характеристик. Сравнительная оценка обрабатываемости производится по критерию П, предложенному JI.C. Палатником. Чем выше П, тем хуже обрабатываемость материала:

,

где с, ρ, λ, Т_пл — соответственно теплоемкость, плотность, теплопроводность, температура плавления материала.

Более точную оценку обрабатываемости получают экспериментально.

Качество поверхностного слоя при ЭЭО зависит от механизма разрушения материала и структурно-фазовых изменений в поверхностном слое, вызванных наличием мощного локализованного поверхностного источника тепла.

Микрогеометрия поверхности определяется формой и размерами лунок, образованных единичными разрядами, и их перекрыванием. Так как объем лунки, определяемый ее диаметром и глубиной, зависит от энергии импульса то этот параметр и определяет микрорельеф поверхности при ЭЭО:

,

где C_R — коэффициент, зависящий от материала заготовки; b₁— коэффициент, учитывающий форму лунок. Значения этих коэффициентов приведены в табл. 4.2.

Таблица 4.2

Обрабатываемый материал	СR	b1	Сh	b2
Углеродистые стали Жаропрочные сплавы на никелевой основе Твердые сплавы	95 100 32	0,33…0,37 0,36...0,37 0,40…0,40	0,13...0,18 0,04...0,06 0,03...0,05	0,41 0,39 0,39

Строение поверхностного слоя после ЭЭО показано на рис. 4.7. На поверхности формируется тонкий слой с измененными физико-механическими и структуро-фазовыми свойствами. Он образован из материала заготовки, вступившего в химическое взаимодействие с рабочей жидкостью, и перенесенного материала электрода-инструмента.

Под измененным находится белый слой. Этот слой образуется в результате нагрева до температуры, близкой к температуре плавления, и последующего быстрого охлаждения. Белый слой имеет структуру мартенсита, обогащенного углеродом, и склонен к образованию трещин. Он характеризуется большой твердостью и повышенной хрупкостью.

Рис. 4.7. Строение поверхностного слоя, формируемого при ЭЭО, и изменение микротвердости по глубине:

1 — переплавленный слой; 2 — белый слой; 3 — зона термического влияния; 4 — базовый материал

Толщина белого слоя возрастает с увеличением энергии и длительности импульсов. Связь между глубиной измененного слоя h и энергией импульсов имеет вид

,

где С_h, b₂ — коэффициенты, зависящие от материала заготовки.

Высокие скорости нагрева и охлаждения в совокупности с фазовыми превращениями приводят к формированию в поверхностном слое остаточных напряжений растяжения. Остаточные напряжения возрастают с увеличением энергии импульса и его длительности, они могут вызвать образование в поверхностном слое микротрещин, коробление тонкостенных деталей и другие нежелательные явления. На рис. 4.8 приведены микроструктуры поверхностного слоя после ЭЭО.

Чистовая обработка обычно требует значительно большего времени, чем черновая, поскольку ЭЭО импульсами малой энергии приводит к резкому снижению производительности. Связь между производительностью ЭЭО и достигаемой шероховатостью поверхности иллюстрирует рис. 4.9.

Рис. 4.8. Микроструктуры инструментальной стали после ЭЭО на чистовых (а) и черновых (6) режимах обработки

Рис. 4.9. Зависимость скорости удаления материала Мот шероховатости поверхности при ЭЭО

Определенные сложности возникают при получении способами ЭЭО очень низкой шероховатости поверхности. Ее получению препятствуют статические электрические заряды. Электрод и заготовка образуют конденсатор, емкость которого растет по мере увеличения площади. При относительно большой площади электрода электростатические заряды создают условия для формирования аномальных электроискровых разрядов, портящих обрабатываемую поверхность. На рис. 4.10 приведены зависимости достигаемой шероховатости поверхности от площади обработки. Для получения низкой шероховатости обработку ведут в особом высокодисперсном порошковом диэлектрике, представляющем собой специально разработанную углеводородную жидкость, например VTTOL-10. и которую добавляется порошковая присадка из проводящих частиц (хрома графита, кремния, алюминия). Благодаря наличию в среде для электроэрозионной обработки мелкодисперсных проводящих частиц у поверхности заготовка формируется электропроводный слой, создающий условия для равномерного распределения сверхмалых искровых разрядов по заготовке. При попадании порошковой частицы в канал разряда происходит ее расплавление и возгонка с изменением условий протекания разряда (диффузный разряд). Этот процесс способствует сглаживанию впадин и острых краев лунок.

Рис. 4.10. Влияние площади обработки на шероховатость обрабатываемой поверхности при ЭЭО стали 4Х5ФМС:

1 — медный электрод-инструмент; 2 — графитовый электрод-инструмент; 3 — медный электрод инструмент (обработка происходит в среде с дисперсными частицами хрома)

В последние годы в технологии электроэрозионной обработки произошли революционные изменения, которые позволили на порядок увеличить производительность и точность обработки, а также качество обработанных поверхностей. Это прежде всего обусловлено изменениями в технологии и технологическом оборудовании, произошедшими в следующих направлениях.

1. Оснащение оборудования специализированными устройствами ЧПУ, адаптированными к условиям электроэрозионной обработки. Такие устройства ЧПУ совмещают функции управления траекторией перемещения электрода-инструмента, оптимального управления межэлектродным зазором (электромеханической следящей системой) и параметрами обработки (генератором импульсов). Как уже отмечалось выше, эффективность электроэрозионной обработки в значительной степени определяется условиями поддержания оптимального межэлектродного зазора. По мере увеличения зазора уменьшается число электрических разрядов,; следовательно, и производительность обработки. При определенном зазоре разрядов не происходит вовсе. Уменьшение межэлектродного зазора до значения меньшего оптимального, влечет ухудшение условий доступа в него рабочей жидкости. Эффективность разрядов падает, поскольку они происходят в газовой среде, и возрастает износ электрода. Значение оптимального зазора задает систем; компьютерного ЧПУ (КЧПУ), рассчитывая ее по состоянию зазора и базе данных электроэрозионной обработки (оптимальные энергетические режимы электроразрядного процесса). В результате обеспечивает наиболее производительную и качественную обработку при наименьшем износе электрода-инструмента.

Для управления межэлектродным зазором на современном электроэрозионном оборудовании используют линейные сервоприводы. Их применение позволяет корректировать положение электрода в соответствии с командами КЧГО 500 раз в секунду с быстродействием следящей системы до 36 м/мин (600 мм/с) Минимальное трение в направляющих качения и отсутствие зазоров (характерных, например, для винтовых передач) обеспечивает плавную без скачков работу следящей системы.

2. Разработка систем программного обеспечения систем ЧПУ.

3. Использование для повышения точности обработки специальных керамических столов и оснастки, что позволяет минимизировать тепловые деформации возникающие в результате нагрева, поскольку применяются конструкционные керамики с особо малым тепловым расширением.

4. Совершенствование электрических режимов электроэрозионной обработки. Генераторы последнего поколения снабжены системой автоматического управления и гарантируют получение максимально высоких характеристик независимо от степени сложности обработки и материалов.

В современном машиностроительном производстве используют множество различных способов ЭЭО, основными из которых признаны:

• электроэрозионная резка (вырезка) проволочным электродом;

• электроэрозионное объемное копирование и прошивка профилированными электродами;

• электроэрозионное фрезерование, т. е. обработка вращающимися электродами, движущимися относительно обрабатываемой поверхности (аналог обработки концевыми фрезами);

• электроэрозионное шлифование электродами-инструментами в виде кругов разной формы (аналог круглого, плоского и глубинного шлифования).

Разрабатывают новые процессы ЭЭО, в частности:

• микроэлектроэрозионной обработки, позволяющие получать очень мелкие детали и элементы, отверстия диаметром от 10 мкм, пазы и тонкие стенки шириной до нескольких микрометров, сложные поверхности малых размеров с точностью 1...2 мкм;

• ЭЭО по схеме «крот» (Mole EDM), основанной на использовании электродов-инструментов из сплавов с эффектом памяти, позволяющих изменять направление инструмента в процессе прошивки и формировать внутренние каналы с пространственными изгибами;

• ЭЭО с взаимосвязанным вращением и перемещением электрода-инструмента и детали для получения деталей различных форм в результате относительного перемещения и варьирования угловыми скоростями электродов. Такая обработка необходима, в частности, для создания высокоточных сложных спиральных поверхностей;

• ЭЭО без диэлектрической жидкости. Продукты разрушения удаляют высокоскоростным потоком газа, подаваемого через электрод-инструмент. Газ обладает высокими электроизоляционными свойствами. Снижается время, необходимое для деионизации межэлектродного зазора;

• ЭЭО непроводящих материалов, основана на прохождении электрических разрядов через слой электролита, находящийся между проводящим электродом-инструментом и заготовкой. По этой технологии обрабатывают детали из стекла, керамик и других диэлектрических материалов.