4.1.1. Электроэрозионная проволочная резка

Электроэрозионная проволочная резка (вырезка) широко используется для обработки деталей, имеющих отверстия сложной формы, сложные контуры и фасонные поверхности, которые можно получить перемещением прямолинейной образующей. В настоящее время она является широко применяемым и динамично развивающимся способом ЭЭО.

Производительность электроэрозионной вырезки принято оценивать площадью реза, получаемой в единицу времени. По мере развития технологического оборудования производительность при резке стали увеличилась с 10 мм²/мин в начале 1970-х годов до 35 мм²/мин в середине 1980-х годов и затем к середине 1990-х годов возросла до 330 мм²/мин. В настоящее время на некоторых новых станках она достигает 500 мм²/мин.

Столь существенный прогресс обусловлен применением более производительных генераторов импульсов, позволяющих устанавливать оптимальные параметры электрических разрядов, подачей рабочей жидкости в зону обработки под повышенным давлением и улучшением качества проволоки.

Электроэрозионная вырезка имеет следующие сферы применения:

• изготовление деталей сложной формы в условиях единичного и мелкосерийного производства;

• изготовление матриц и пуансонов вырубных штампов, специального режущего инструмента, фильер и волок в инструментальном производстве;

• обработка миниатюрных деталей высокой точности;

• изготовление маложестких деталей, обработка которых резанием невозможна из-за силового воздействия режущего инструмента;

• получение деталей из труднообрабатываемых материалов (твердых и жаропрочных сплавов, закаленных сталей, тугоплавких металлов и сплавов).

Схема электроэрозионного вырезания приведена на рис. 4.11. Обработка производится проволочным электродом-инструментом, протягиваемым через направляющие со скоростью v. Перемещение направляющих в двух параллельных системах координат определяет положение рабочего участка проволоки относительно обрабатываемой заготовки.

Движение по автоматически связанным базовому (Х-Y) и вторичному (U-V) контурам может осуществляться двумя способами:

• одновременным перемещением концов проволоки вдоль базового и вторичного контуров по координатам X, Y и U, V соответственно;

• перемещением заготовки посредством крестового стола по базовому контуру (координаты X, Y) и верхнего конца проволоки (координаты U, V) при не подвижном нижнем для получения вторичного контура.

Рис. 4.11. Схема вырезки на 4-координатном станке с ЧПУ

Сопряжение контуров производится по участкам, заключенным между узловыми точками. Положение промежуточных точек определяется из соображений пропорциональности длин соответствующих участков траекторий нижнего и верхнего контуров.

На большинстве моделей вырезных станков может быть обеспечен угол наклона проволоки 30° при высоте обрабатываемой детали порядка 400 мм.

Обработку выполняют в воде или углеводородных жидкостях (керосине, маловязких маслах). Основным достоинством обработки в воде является более высокая производительность. Однако, как это видно из данных, приведенных в табл. 4.3 для одного из станков фирмы Sodic, обработка в воде сопровождается снижением точности, увеличением шероховатости и толщины дефектного слоя. При этом сложно избежать электрохимического растворения материала заготовки.

Рис. 4.12 иллюстрирует технологические возможности электроэрозионной проволочной вырезки.

На рис. 4.13 показаны основные факторы, определяющие особенности электроэрозионной резки. На современном технологическом оборудовании обработку выполняют с подачей рабочей жидкости под давлением вдоль натянутой проволоки. Образующиеся продукты разрушения вымываются из реза потоком жидкости.

Рис. 4.12. Детали, полученные электроэрозионной вырезкой: а — из трубы; б — конус и шестерня; в — окно сложной формы; г — с тонкими стенками

Таблица 4.3

Параметр	Значение
Производительность при одинаковых прочих условиях	260 мм2 /мин (в воде) 60 мм2 /мин (в масле)
Минимальная шероховатость поверхности	Ra ~ 0,13 мкм (в воде) Ra ~ 0,06 мкм (в масле)
Шероховатость поверхности при максимальной производительности	Ra ~ 2,5 мкм (в воде) Ra ~ 1,25 мкм (в масле)
Наименьший межэлектродный зазор	10...20 мкм (в воде) 4...10 мкм (в масле)
Точность обработки	IT6 (в воде) IT4 (в масле)
Минимальная толщина дефектного слоя	3...10 мкм (в воде) 1...2 мкм (в масле)

Резку выполняют калиброванной проволокой (отклонение по диаметру не более 0,002 мм) из меди или латуни диаметром 0,1... 0,3 мм. Диаметр проволоки d рекомендуется назначать в зависимости от ширины реза. Для В < 20 мм d = 0,1...0,15, при В = 20...50 мм d - 0,2...0,25, а при В = 50...80 мм d = 0,3. Вольфрамовая и молибденовая проволоки диаметром 0,03 и 0,05 мм используются для изготовления миниатюрных деталей и получения тонких сквозных пазов. Обработку вольфрамовой проволокой производят только в углеводородных жидкостях. Для увеличения производительности часто используют проволоку с цинковыми и специальными многослойными покрытиями.

Рис. 4.13. Факторы, влияющие на процесс электроэрозионной проволочной резки

Рис. 4.14. Схема протягивания проволоки:

1 — прижимной ролик; 2 — катушка с проволокой; 3 — верхняя направляющая; 4 — нижняя направляющая; 5 — ящик для сбора отработанной проволоки; 6 — шестеренчатые валики; 7 — датчик обрыва проволоки; 8 — тормозящий ролик

Для того чтобы избежать разрушения проволоки вследствие ее износа и обеспечить точность обработки, скорость протягивания ее должна быть сравнительно большой (обычно ν = 10...20 мм/с). Скорость назначают с учетом толщины разрезаемой заготовки и эрозионной стойкости материала проволоки.

Типичная схема механизма протягивания проволоки приведена на рис. 4.14. Сила натяжения проволоки обеспечивается тормозящим роликом. Положение определяется верхней и нижней направляющими, изготавливаемыми из сверхтвердых материалов. В подобных устройствах дополнительно предусматривают системы автоматической заправки проволоки.

Производительность, точность и качество поверхностного слоя при резке, помимо электрических режимов, зависят от силы натяжения проволоки, типа, чистоты и давления рабочей жидкости (рис. 4.15, а-в). В зависимости от требуемой шероховатости и точности обработки производительность изменяется в диапазоне М = 0,5...500 мм²/мин.

Погрешность обработки проволочной резкой обычно находится в пределах ω = 0,002...0,025 мм. При разработке операций проволочной резки необходимо учитывать ширину реза b. Ориентировочные ее значения приведены в табл. 4.4.

При подготовке к проволочной резке часто приходится сверлить стартовые отверстия, необходимые для заправки проволоки. Стартовые отверстия размещают вблизи обрабатываемого контура. При вырезке в детали множества окон (рис. 4.16) готовят систему стартовых отверстий и определяю' последовательность обработки. Выход проволоки на обрабатываемый контур обычно выполняют по касательной. Аналогично производится отвод проволоки после завершения реза.

Таблица 4.4

d, мм	b, мм
0,3	0,36... 0,4
0,25	0,30...0,32
0,15	0,18...20
0,05	0,06...0,07
0,03	0,045...0,05

Рис. 4.15. Влияние технологических факторов электроэрозионной резки на производительность и шероховатость обработанной поверхности

При обработке деталей, имеющих переменную высоту вдоль реза В (рис. 4.17) разрабатывают стратегию управления линейной скоростью резки V. При этом учитывают изменение условий подачи диэлектрической жидкости и возможно пи увеличения производительности путем регулирования частоты импульсов и других электрических режимов обработки без снижения точности и ухудшения состояния поверхностного слоя. Многие современные станки допускают адаптивное управление процессом обработки и технологическими режимами в зависимости от изменения ширины реза.

При изготовлении точных деталей обработку производят в несколько проходов. Часто после предварительной черновой вырезки на жестких производительных режимах выполняют один или несколько чистовых проходов, удаляя припуск t размером 5…50 мкм.

Рис. 4.16. Обработка нескольких окон в детали из листа (а) и тиковая схема подвода отвода проволоки (б)

Рис. 4.17. Изменение линейной скорости резки V и времени обработки Т в зависимости от профиля реза

Определенные особенности имеет чистовая обработка внутренних и наружных элементов заданного радиуса, а также острых кромок. Для того чтобы избежать заре зов в местах сопряжений с внутренними радиусами, причиной которых является резкое изменение направления перемещения оси проволоки, движение по траектории выполняют по радиусу R_Р, рассчитываемому с учетом межэлектродного зазора δ (рис. 4.18, а). Аналогично назначают радиус траектории при обработке наружного сопряжения (рис. 4.18, б).

Подвод проволоки к обрабатываемой поверхности и ее отвод после окончания прохода выполняют по касательной, а для обработки острых кромок траекторию перемещения оси проволоки задают в виде петли (рис. 4.18, в). Последнее объясняется резким изменением площади поверхности резания при подходе к кромке (рис. 4.19).

Рис. 4.18. Особенности чистовой обработки элементов контуров

Рис. 4.19. Изменение площади поверхности резания S при чистовой обработке острой кромки

Суммарная погрешность чистовой обработки может быть оценена по формуле

,

где (ω_СИСТ, ω_СЛ — систематические и случайные погрешности, связанные с особенностями и состоянием элементов технологической системы «станок — приспособление — инструмент — заготовка»; ω₁— погрешность изготовления проволоки; ω₂ — погрешность, связанная с колебаниями ширины реза из-за изменения условий обработки (подачи рабочей жидкости, неравномерности эрозии материала, натяжения проволоки и др.); ω₃ — погрешность, обусловленная тепловыми деформациями и остаточными напряжениями.

Причины возникновения первых двух погрешностей подробно рассмотрены в соответствующем разделе. Следует отметить специфическую систематическую погрешность ω_β, которая может возникать при угловой резке и обусловлена изгибом проволоки в направляющих. Причину возникновения этой погрешности иллюстрирует рис. 4.20. Изгиб проволоки при выходе из направляющей, выполненной по определенному радиусу, приводит к смещению оси проволоки. Эту погрешность можно компенсировать изменением положения направляющей, например по оси Z.

На современном оборудовании для электроэрозионной вырезки используют специализированные устройства ЧПУ, учитывающие особенности процесса. В частности, они обеспечивают:

• остановки в работе, связанные с нарушением условий эффективного протекания процесса эрозии (обрыв проволоки, короткое замыкание электродов);

• автоматическую заправку проволоки, которая производится комбинированно — струей рабочей жидкости и давлением воздуха. При разрыве проволоки производится ее автоматическая повторная заправка через стартовое отверстие с последующим продолжением работы по программе;

• автоматическое измерение и коррекцию положения проволоки;

• адаптивное управление процессом обработки и оптимизацию технологических режимов;

• удобство программирования и отработки программ.

Рис. 4.20. Погрешность, обусловленная изгибом проволоки в направляющих

Современное технологическое оборудование обеспечивает высокую надежность работы, малое вспомогательное время. Сравнительно низкая производительность обработки компенсируется возможностью круглосуточной автоматической работы при отсутствии обслуживающего персонала. Некоторое оборудование оснащено устройствами ЧПУ, ориентированными на подготовку и отработку управляющих программ непосредственно на рабочем месте, в фоновом режиме, во время обработки. Это целесообразно в условиях единичного и мелкосерийного производства, причем подготовкой управляющих программ, обслуживанием станка или нескольких станков занимается один квалифицированный оператор.

На рис. 4.21 показан станок для электроэрозионной резки (а) фирмы Sodic и рабочая зона этого станка (б).

Рис. 4.21. Электроэрозионный станок проволочной резки (а) и его рабочая зона (б)

Рис. 4.22. Установка заготовок на станках проволочной резки

Для базирования и закрепления заготовок на станках проволочной резки используют специальные и универсальные приспособления, устанавливаемые на базовую раму (рис. 4.22). Комплекты таких приспособлений выпускает ряд фирм, в частности SYSTEM 3R.