4.1.3. Электроэрозионное фрезерование
Электроэрозионное фрезерование может использоваться для выполнения различных работ, снизанных с вырезкой деталей, получения глухих и сквозных отверстий и окон разной формы, обработки сложных поверхностей, прошивки отверстий малого диаметра, узких пазов и щелей, гравирования и маркирования, формирования регулярных микрорельефов и др. Оно производится вращающимся непрофилированным электродом в виде стержня или проволоки (рис. 4.34). Диаметр электрода-инструмента выбирают в зависимости от кривизны элементов поверхности, подлежащей обработке.
Рис. 4.34. Базовые схемы электроэрозионного фрезерования:
а — обработка отверстий; б — вырезка из листового материала; в — обработка фасонных поверхностей; г — гравирование и маркирование
Следует отметить, что электроэрозионное фрезерование является сравнительно новой разновидностью обработки, получившей развитие только в последние годы и с появлением оборудования с ЧПУ, адаптированного для этих целей, и устройств поддержания значения межэлектродного зазора.
Прошивка отверстий (рис. 4.34, а) может выполняться проволочным (стержневым) или трубчатым электродом с подачей рабочей жидкости через тело инструмента или кондукторную втулку.
Вырезка из листового материала производится проволочным вращающимся электродом, направляемым через керамическую втулку (рис. 4.34, б). Неоспоримым преимуществом такой обработки является сокращение в сотни раз расхода проволоки по сравнению с традиционной проволочной резкой. Кроме того, отсутствует необходимость сверления стартовых отверстий и заправки через них проволоки. Недостатком является меньшая точность обработки, связанная с консольным расположением электрода и отсутствием натяжения проволоки.
Рис. 4.35. Структура цикла подготовки электроэрозионной обработки детали при объемном копировании (а) и ЭЭФ (б)
Проволокой диаметром 0,3…0,5 мм можно эффективно вырезать детали толщиной до 20 мм, обеспечивая точность обработки по 8-му квалитету. Удаление материала целесообразно выполнять за несколько проходов. Возможна вырезка с наклоном электрода-инструмента.
Для операций электроэрозионного копирования сложных поверхностей, как отмечалось выше, необходимы дорогостоящие электроды-инструменты. Как правило, для изготовления одного изделия необходим комплект из трех и более электродов-инструментов. Дополнительно возникают сложности с выводом продуктов разрушения из зоны обработки, для чего предусматривают системы принудительной прокачки рабочей жидкости. Электроэрозионное фрезерование лишено этого недостатка.
По сравнению с технологией копирования существенно сокращается цикл технологической подготовки производства за счет устранения трудоемкого проектирования и изготовления электрода-инструмента (рис. 4.35).
Особые преимущества имеет ЭЭФ при обработке выемок с глубоким профилем (рис. 4.36).
Электроэрозионное фрезерование выполняют на оборудовании для электроэрозионной прошивки с расширенными функциями.
Рис. 4.36. Характер зависимостей «глубина профиля — время обработки» для объемного копирования и ЭЭФ
Современное оборудование с ЧПУ и компьютерная техника позволяют обрабатывать сложные фасонные поверхности, причем управляющая программа готовится на этапе проектирования. Операция может производиться после черновой механической обработки, штамповки или по цельной детали. При вводе соответствующих корректировок на износ электрода-инструмента полная обработка поверхности производится за три прохода: черновой, чистовой и отделочный с достижением точности обработки 7-8-го квалитета и шероховатости поверхности Ra = 0,32...0,67 мкм. При использовании проволочных электродов диаметром 0,3...2 мм возможна обработка весьма мелких элементов (гравирование букв, получение отверстий малого диаметра). Длительность основного времени обработки по данной технологии возрастает по сравнению с копированием в 2-3 раза, однако общая трудоемкость (с учетом затрат на проектирование и изготовление электродов-инструментов) снижается в два и более раз.
Помимо экономического эффекта от сокращения расходов на материалы и изготовление электродов-инструментов, электроэрозионное фрезерование обеспечивает гибкость и легкую переналаживаемость на выпуск других изделий.
Значительный износ электрода-инструмента при электроэрозионном фрезеровании по рассмотренным выше схемам вынуждает использовать специальные технологические приемы, обеспечивающие необходимую точность обработки. Удаление материала ведут тонкими слоями, поскольку в этом случае меньше эрозия боковой поверхности и искажение исходной формы электрода-инструмента (эрозия преимущественно идет с торца). При снятии слоя материала, например с плоской поверхности, необходимо обеспечить компенсацию износа электрода-инструмента.
Работа без компенсации износа электрода-инструмента влечет погрешность формы обрабатываемой поверхности. Кроме того, неизбежно образование на поверхности характерных ступенек, высота и форма которых зависят от принятой схемы обработки (зигзаг, петля, елочка и др.), интенсивности износа инструмента, протяженности ходов и шага между ними (рис. 4.37).
Компенсация износа электрода-инструмента может выполняться его постоянной или периодической вертикальной подачей. Таким образом добиваются удаления слоя определенной толщины при сохранении постоянной формы электрода-инструмента.
Вертикальная подача может быть определена на основе расчета компенсации износа электрода-инструмента ∆Lэ (рис. 4.38), который целесообразно проводить через относительный износ η):
,
где Vэ — объем изношенного материала электрода-инструмента; Vд — объем удаленною материала детали; Fэ — площадь сечения электрода-инструмента; Fд - площадь обрабатываемой поверхности; hд — глубина поверхности.
Рис. 4.37. Влияние шага зигзага на форму изнашивающегося электрода-инструмента и ступеньки на обрабатываемой поверхности: а — большой шаг; б — малый шаг
Учитывая, что Z = ∆Lэ + hд, где Z — установленная (начальная) глубина обработки, получаем
.
Ступеньки и характерные неровности возникают и при обработке с компенсацией на износ электрода из-за постоянной скорости вертикальной подачи электрода-инструмента и различного объема материала, снимаемого на отдельных ходах. Избежать образования ступенек достаточно сложно, поскольку требуется менять вертикальную подачу в соответствии с изменением объема удаляемого материала. При обработке поверхностей с высокими требованиями по точности единственным путем устранения указанных недостатков является выполнение многопроходной обработки последнего слоя без вертикальной подачи инструмента. Это приводит к снижению производительности.
Рис. 4.38. Расчет компенсации электрода-инструмента
Рис. 4.39. Этапы подготовки управляющих программ при обработке ЭЭФ последовательным удалением тонких слоев
На рис. 4.39 приведены основные этапы подготовки управляющих программ при обработке ЭЭФ последовательным удалением тонких слоев. Для подготовки управляющих программ такой обработкой требуются специальные CAD-CAM-системы, позволяющие выполнять разбиение обрабатываемого элемента на отдельные слои с последующим заданием траектории перемещения инструмента для последовательного удаления материала каждого из этих слоев. Важное значение имеет и точность расчета компенсаций на износ электрода-инструмента.
Рис. 4.40. Станок MG-ED72W для микроэрозионного фрезерования
Наиболее широко электроэрозионное фрезерование используется для обработки мелких элементов. Для этих целей разработаны специализированные станки (рис. 4.40).
Обработка мелких элементов, подобных приведенным на рис. 4.41, стала возможной благодаря специальной методике получения электродов-инструментов, основанной на технологии микроэлектроэрозионного шлифования калиброванной проволокой по схеме, показанной на рис. 4.42.
Законцовки электродов, получаемых этим способом, могут иметь диаметр до 25 мкм. В качестве материала электрода используют вольфрамовую проволоку диаметром 0,5...1 мм. Устройство для электроэрозионного шлифования встроено в станок, и обработка электрода-инструмента, установленного в шпиндель станка, выполняется непосредственно перед шлифованием.
Одной из перспективных схем электроэрозионного фрезерования является обработка электродом-инструментом, по периферии которого протягивается проволока. Ее главным достоинством считают отсутствие необходимости учета износа электрода-инструмента.
Конструктивно сложно обеспечить подачу проволоки на вращающийся электрод-инструмент, поэтому целесообразно использовать его возвратновращательное движение на один полный оборот в одну сторону и один полный оборот в другую. На рис. 4.43 приведена схема такой обработки и типовые конструкции электродов-инструментов.
Рис. 4.41. Иллюстрация технологических возможностей микроэлектроэрозтонного фрезерования
Рис. 4.42. Схема процесса микроэлектроэрозионного шлифования (а) и электрод (б), полученный этим способом
Рис. 4.43. Схема обработки электродом-инструментом, по периферии которого протягивается проволока (а), и его конструкция (б):
1 - проволока; 2 — керамическая направляющая; 3 — отверстие для подачи диэлектрической
Максимально допустимая скорость перемещения электрода-инструмента S определяется скоростью удаления материала:
где υм — объемная скорость удаления материала (производительность обработки); h — глубина удаляемого слоя; dэ — диаметр электрода-инструмента.
Диаметр проволоки выбирают в зависимости от назначения обработки. С практической точки зрения представляют интерес инструменты сравнительно малого диаметра 1...3 мм, в которых может быть использована стандартная проволока диаметром 0,3 мм, широко применяемая для электроэрозионной вы резки, и электроды диаметром 3...12 мм с протягиваемой проволокой диаметром 0,5...1 мм.