4.1.2. Электроэрозионное объемное копирование и прошивка профилированными электродами

Для электроэрозионной обработки сложных фасонных поверхностей (поверхности штампов, пресс-форм и др.) используется технология копирования, для реализации которой необходимы электроды-инструменты, изготавливаемые из меди, латуни, графита и других материалов. Этот способ является основным при получении штампов сложной конфигурации и обработке сложных фасонных поверхностей.

Электроэрозионная обработка реализуется на оборудовании, в состав которого входят следующие элементы: несущая конструкция 1 с рабочей ванной 2, установленной на столе 3, способном перемещаться по заданным координатам, электрод-заготовка 4, электрод-инструмент 5, закрепленный в регуляторе подачи 6, генератор импульсов 7, система регенерации и подачи рабочей жидкости 8, состоящая из насосов, фильтров, бака и гидроаппаратуры, система управления 9 (ручное или ЧПУ) (рис. 4.23).

Рис. 4.23. Принципиальная конструктивная схема электроэрозионного станка

Эффективность электроэрозионной прошивки зависит от условий вывода образующихся продуктов разрушения и газов из зоны обработки.

Как указывалось выше, удаление продуктов разрушения может выполняться путем естественной эвакуации (за счет движения рабочей жидкости, вызываемого разрядами) или принудительной (прокачкой или отсосом). Основные схемы принудительной подачи рабочей жидкости показаны на рис. 4.24.

Иногда для обеспечения выхода продуктов разрушения и образующихся газов используют возвратно-поступательное движение электрода, когда после кратковременного цикла обработки электрод отводится от обрабатываемой поверхности, а затем вновь подводится к ней.

Рис. 4.24. Схемы подачи диэлектрической жидкости в МЭП:

а — поливом; б — прокачкой через электрод-инструмент; в — отсосом через электрод-инструмент; г — через отверстие в детали; д — комбинированно

Рис. 4.25. Сложности, возникающие при электроэрозионной прошивке (указаны места скопления продуктов разрушения)

В зависимости от форм электрода-инструмента и обрабатываемой поверхности, глубины обработки, расположения отверстий для прокачки жидкости объемная скорость эрозии (производительность) одного и того же материала может различаться в десятки раз. На рис. 4.25 показаны основные проблемы, возникающие при электроэрозионной прошивке.

Наилучшие условия обработки обеспечиваются в тех случаях, когда используется принудительная прокачка рабочей жидкости с равномерным потоком по всей обрабатываемой поверхности без застойных зон, где могли бы скапливаться продукты разрушения. Условия обработки ухудшаются при уменьшении размеров отверстий для подвода жидкости и наличии выпуклых участков дна. Несимметричность расположения отверстий для подвода жидкости способствует дополнительному снижению обрабатываемости. Очень плохие условия обработки складываются при прошивке глубоких выемок и невозможности использования принудительной прокачки рабочей жидкости, наличии отверстий в детали, снижающих эффективность прокачки, или выступов, препятствующих естественной эвакуации продуктов разрушения. Чрезвычайно сложно обрабатывать поверхности с малой конусностью, высокими выступами на дне углублений, а также узкие щели большой глубины.

Существует связь между размером электрода-инструмента и условиями обработки. Как правило, продукты эрозии концентрируются в определенной части зазора. С увеличением размера электрода-инструмента растет количество зон концентрации продуктов разрушения, что вызывает снижение производительности и ухудшение качества обработанной поверхности вследствие локализации зон воздействия электрических разрядов.

Рис. 4.26. Основные схемы обработки на прошивном станке с ЧПУ

Прошивание может производиться с одновременным перемещением или поворотом электрода-инструмента по командам устройства ЧПУ в соответствии с заданным законом. Это позволяет электродом простой конфигурации получать различные формы поверхностей. Примеры такой обработки приведены на рис. 4.26.

Устройство ЧПУ обеспечивает управление перемещениями электрода-инструмента и детали по 3-5 координатам. Например, 4-координатные системы ЧПУ обеспечивают перемещение электрода-инструмента по декартовым координатам X, Y, Z и поворот электрода-инструмента (координата С). Могут быть реализованы различные схемы орбитального движения электрода-инструмента мни заготовки (рис. 4.27), обеспечивающие существенное расширение технологических возможностей электроэрозионной обработки (рис. 4.28).

Для изготовления электродов-инструментов применяют различные материалы. Некоторые из них указаны в табл. 4.5. Основными параметрами, по которым осуществляют выбор материала, являются относительная производительность, сопротивление электрической эрозии, технологичность в изготовлении и применении, возможности получения низкой шероховатости поверхности, материал заготовки, особенности геометрии обрабатываемой поверхности, стоимость.

Рис. 4.27. Схемы орбитального движения

Рис. 4.28. Примеры, иллюстрирующие технологические возможности орбитальной электроэрозионной обработки

Для получения поверхностей с низкой шероховатостью обычно используют медные электроды. В отличие от графита медь не имеет столь выраженной зернистой структуры. При использовании медных электродов можно получить поверхность с параметром шероховатости Ra = 0,2 мкм. Медь вызывает окисление диэлектрической жидкости, что постепенно вызывает ее деструкцию и снижение диэлектрических свойств.

В последние годы расширяется применение графита в качестве материала электродов-инструментов. Графитовые электроды имеют ряд преимуществ: высокую температуру испарения (6000 °С), что позволяет производить черновую обработку с использованием среднего тока высокой плотности; легко поддаются механической обработке, обладают небольшим удельным весом и высоким сопротивлением электрической эрозии. Недостатком графита является зернистая структура, поэтому его нельзя использовать для чистовой обработки при традиционных схемах прошивания (минимальный параметр шероховатости R_max = 5... 10 мкм). Имеется опыт чистовой обработки графитовыми электродами с орбитальным перемещением.

Композиционные материалы системы W-Cu обладают высокой эрозионной стойкостью и используются при обработке внутренних поверхностей с очень малыми радиусами скругления в углах, а также ЭЭО твердых сплавов и тугоплавких металлов и сплавов. Они пригодны для чистовой обработки. Аналогичное применение имеют материалы системы Cu-BN, например МНБ-3.

Таблица 4.5

Материал электрода	Относительная производительность мх/мСu	Сопротивление эрозии ηx /ηCu
Медь	1	1
Медь-вольфрам	0,78	0,26
Твердый сплав (WC-Co)	0,74	0,66
Вольфрам	0,4	0,28
Латунь	1,2	1,25
Графит	2,2	0,11
Медь-графит	2,7	0,58
50% Sn +50 % Zn	1,4	3,2

Вольфрам и молибден используют в основном для прошивки отверстий. Из них трудно получать электроды сложной формы. Кроме того, они имеют высокую стоимость.

На операциях черновой обработки в качестве электродных материалов иногда используют алюминий, стали и чугуны.

Сплавы системы Sn (50 %) + Zn (50 %) и Sn (30 %) + Zn (70 %) позволяют получать электроды-инструменты методами литья и штамповки. Они используются для обработки точных деталей с поверхностями сложной формы. Их достоинством является возможность переплава для изготовления новых электродов-инструментов, а основным недостатком — низкое сопротивление эрозии.

Для электроэрозионной прошивки разрабатывают новые материалы, в частности металломатричные керамические композиты ZrB₂-Cu, которые имеют эрозионную стойкость, в несколько раз меньшую, чем медь и графит. По скорости износа они близки к композициям W-Cu, но менее дороги, технологичнее и обеспечивают большую производительность ЭЭО.

Точность обработки на копировально-прошивочных станках в значительной степени зависит от точности электрода и износа его в процессе работы.

При проектировании электрода-инструмента его профиль назначают эквидистантным получаемой поверхности с учетом межэлектродного зазора, припуска на последующую обработку и параметра орбитального движения, если оно происходит.

Межэлектродный промежуток δ_Т (торцовый) и δ_б (боковой) лежит в пределах 0,01...0,05 мм, однако в некоторых случаях в зависимости от напряжения тока и вида диэлектрической жидкости он может быть значительно меньшим (сотые и даже тысячные доли микрометра). В процессе эвакуации продуктов разрушения перемещающиеся в МЭП проводящие частицы инициируют электрические разряды, разрушающие материал, увеличивающие зазор между поверхностями электрода-инструмента и заготовки. Фактический зазор δ_б зависит от длины трассы эвакуации частиц (рис. 4.29) и размера последних.

Рис. 4.29. Влияние изменения бокового зазора в совокупности с износом электрода-инструмента (а) и направления прокачки жидкости (б) на форму получаемого углубления:

1— электрод-инструмент; 2 — заготовка; 3,4 — теоретическая и фактическая формы получаемого углубления; 5 — износ электрода-инструмента

При проектировании электродов-инструментов для обработки точных деталей учитывают износ и боковой межэлектродный зазор δ_б (рис. 4.30).

Рис. 4.30. Влияние глубины прошиваемой полости (длины вертикальной трассы эвакуации продуктов разрушения) и энергии импульса на боковой зазор:

1 — W_H = 1,54 Дж; 2 — W_H = 0,02 Дж; 3 — W_H = 0,006 Дж

Следует отметить, что современное оборудование для электроэрозионной прошивки и объемного копирования позволяет производить обработку с исключительно малым относительным износом электрода-инструмента (от 0,1 %).

Суммарная погрешность электроэрозионной прошивки ω_Z может быть оценена по формуле:

,

где ω_у — погрешность установки заготовки и инструмента относительно друг друга; ω_и — погрешность изготовления электрода-инструмента; ω_э — погрешность, обусловленная износом электрода-инструмента и несоответствиям назначенного межэлектродного зазора фактическому; ω₁ — погрешность, вызванная случайными колебаниями режимов и условий процесса электроэрозионной обработки; ω₂ — случайная погрешность, характерная для всех видов размерной обработки и обусловленная совокупным действием множества факторов, воздействующих на технологическую систему «станок — приспособление — инструмент — заготовка»; к — коэффициент.

Проектирование электродов-инструментов выполняют аналитическими и графоаналитическими методами. В настоящее время для этих целей используют системы автоматизированного проектирования, большинство из которых имеют специальные модули для проектирования электродов. Последние позволяют создавать трехмерные модели электродов-инструментов на основе имеющейся модели изделия.

Проектирование выполняют в несколько этапов. В библиотеке модуля выбирают держатель и шаблон поверхности электрода, определяют ось для привязки и позиционирования. Ориентацию электрода относительно системы координат станка устанавливают перемещением и вращением модели. В процессе позиционирования модели в диалоговом окне отображаются текущие координаты и ориентация электрода относительно системы координат станка, что позволяет точно позиционировать модель электрода. Далее, используя встроенный набор параметров, указывают материалы электрода-инструмента и обрабатываемой детали, а также шероховатость поверхности после обработки. На основе базы данных для выбранного типа оборудования система назначает оптимальные режимы и условия обработки. Всю технологическую информацию, включая позиционирование инструмента и стартовую точку, а также параметры процесса присваивают модели электрода, и они становятся ее неотъемлемой частью. Значения параметров могут быть выведены на печать. Расчет геометрии электрода исполняется автоматически с учетом межэлектродных зазоров и параметров оригинального движения.

Иногда проектирование осуществляют в режиме имитации процесса обработки с расчетом площади поверхности прожига, характера удаления материала и износа электрода-инструмента. Проектирование завершается автоматической генерацией чертежей электродов и при необходимости получением программы для устройства ЧПУ по фрезерованию электрода-инструмента.

Изготовление электродов-инструментов в зависимости от материала, предъявляемой точности, размеров и конструктивных особенностей может выполняться разными способами: гальванопластикой, литьем, давлением (штамповкой, прессованием), методами механической обработки.

Рис. 4.31. Устройство для высокоскоростного фрезерования

Рис. 4.32. Графитовые электроды, изготовленные высокоскоростным фрезерованием

Рис. 4.33. Примеры координатно-прошивочной обработки: а — матрица штампа; б — колесо турбины

Для изготовления электродов сложной формы из графита и меди разработано специальное оборудование с 5-, 6-координатными устройствами ЧПУ для высокоскоростного фрезерования, позволяющее получать изделия с тонкими ребрами с высокой точностью и низкой шероховатостью поверхности, часто не требующие дальнейшей обработки (рис. 4.31,4.32).

Электроэрозионное объемное копирование выполняют на оборудовании разных типоразмеров. Для уменьшения вспомогательного времени и обеспечения многосменной работы в автоматическом режиме оно может быть оснащено устройствами автоматической смены инструмента и деталей.

Таблица 4.6

Элемент	Проволочная резка	Прошивка
Минимальный внутренний радиус, мм	0,1	0,025
Минимальный внешний радиус, мм	0,001	0,001
Минимальный диаметр отверстия, мм	0,1	0,025
Минимальная ширина щели, мм	0,04	0,01

На рис. 4.33 приведены примеры деталей, полученных объемным электроэрозионным копированием, а в табл. 4.6 указаны минимальные размеры элементов деталей, достигаемые электроэрозионной прошивкой и проволочной резкой.