2.4.3. Качество поверхностного слоя

В результате электроэрозионной обработки поверхность приоб­ретает характерные неровности, а приповерхностные слои металла претерпевают физико-химические изменения. Это оказывает влия­ние на эксплуатационные показатели обрабатываемых деталей.

Обрабатываемая поверхность формируется из перекрывающих Друг друга произвольно расположенных лунок. Размеры лунок зависят от энергии импульса и материала электродов. Они возрастают с ростом энергии импульсов и умень­шением частоты их следования. На рис. 2.13 видно, что высота не ровностей зависит от степени перекрытия лунок. Высота неров­ностей профиля

(2.19)

где – глубина одной из пяти лунок в пределах базовой длины.

Принимая лунку сферической, а размеры двух соседних углуб­лений одинаковыми, можно найти размеры неровностей на их границе. Расчетная схема приведена на рис. 2.13. Из треугольника высоту выступа можно найти, учитывая, что , и . После ряда преобразований находим для некоторого -го выступа

Поскольку , то Радиус определя­ют из треугольника где , . Отсюда

Проведенные исследования показали, что с повышением частоты следования импульсов расстояние между центрами лунок и вы­сота неровностей снижаются. При частоте выше некоторого пре­дельного значения вся поверхность заготовки в зоне обработки бу­дет иметь лунки, расположенные достаточно равномерно. С неко­торым приближением можно принять . Тогда

(2.20)

Если допустить, что размеры всех лунок на участке поверхности, где проводятся измерения шероховатости, одинаковы, то можно считать . Поскольку размер лунки зависит от энергии им­пульса, то можно высоту неровностей выразить через энергию им­пульса:

(2.21)

где – коэффициент, зависящий от режима обработки, материала электродов, их размеров, вида и состояния рабочей среды; р = 0,3...0,04 – показатель степени, характеризующий форму лунки. В расчетах принимают . При чистовых режимах для твердых сплавов = 1...5, для сталей = 2...12; при черновых режимах = 10...50. При измерении высоты неровностей следует учитывать специфику поверхности после электроэрозионной обработки.

Из теории процесса видно, что углубления, определяющие шеро­ховатость поверхности, имеют форму лунок с плавным сопряжени­ем. Это затрудняет оценку высот неровностей с помощью световых методов измерений, например двойным микроскопом. Для получе­ния достоверных результатов следует пользоваться профилометрами и профилографами, работающими по методу ощупывания поверх­ности иглой.

Шероховатость после обработки на электроискровом режиме твердых сплавов = 0,2...0,3 мкм; после обработки сталей = 0,3...0,6 мкм. После обработки на электроимпульсном режиме = 20...40 мкм; при шлифовании в жидкости = 0,5...0,8 мкм; при разрезании = 80...200 мкм; при электроконтактном обдироч­ном шлифовании и разрезании на воздухе = 150...400 мкм. Вы­сота неровностей при упрочнении и легировании растет с увеличе­нием толщины наносимого слоя: =10...200 мкм.

Поверхностный слой формируется за счет части расплавленного металла, оставшегося на поверхности лунки, и прилегающего к ней слоя металла, подвергнутого структурным изменениям от быстрого нагрева и охлаждения материала. Поверхност­ный слой состоит из так называемого белого слоя 1, в котором наблюдаются химико-терми­ческие превращения, переходного слоя 2, в ко­тором имели место только термические изме­нения и под которым находится неизмененный металл 3 заготовки (рис. 2.25).

Измененная зона, образуемая слоем 1, содержит продукты диэлектрической среды, в частности углерод и элементы, входящие в состав электрода-инст­румента. У стальных

Рис. 2.25. Состояние поверхностного слоя: 1 – белый слой, 2 – переходный слой, 3 – неизменный металл.

заготовок в этой зоне об­разуются карбиды железа, которые способствуют упрочнению поверхности.

Если металл обрабатывают импульсами высокой энергии, то в начале разряда нагревается и плавится металл на поверхности; затем теплота проникает вглубь. Для нагрева внутренних слоев тре­буется какое-то время. Поскольку время разряда невелико, а мощ­ность его значительна, то возникает большая разница температур по глубине. Наружные слои, как более нагретые, расширяются больше, внутренние – меньше. Однако металл в зоне лунки в на­чале разряда не обладает достаточной пластичностью, поэтому в нем возникают значительные внутренние напряжения, вызываю­щие разрыв. В конце импульса под действием резкого охлаждения нагретого металла жидкой рабочей средой вновь возникает боль­шой перепад температур под лункой и появляются внутренние на­пряжения, которые тоже вызывают трещинообразование. Особенно склонны к растрескиванию хрупкие материалы, например твердые сплавы. Толщина измененного слоя после серии импульсов значи­тельно превышает высоту неровностей. Она зависит от теплофизических свойств материала заготовки, температуры, при которой про­исходят фазовые превращения обрабатываемого металла, и других причин. С учетом граничной температуры можно найти расчетным путем толщину измененного слоя, которая оп­ределяется через глубину единичной лунки и расстояние от поверхности до границы, где имеют место изменения обрабатывае­мого металла, т.е. где наблюдается температура начала фазовых превращений материала заготовки (см. рис. 2.14): . Тол­щину измененного слоя рассчитывают для донной части лунки. Это позволяет найти истинное значение слоя без учета воздействия со­седних импульсов.

Глубина измененного слоя зависит от тех же факторов, что и ше­роховатость, поэтому для расчетов можно использовать зависи­мость, аналогичную (2.21),

(2.22)

В зависимости от материала заготовки коэффициент [см. формулу (2.21)].

При обработке в воздушной среде длительность импульсов обыч­но больше, чем при процессе в жидкости, поэтому глубина изменен­ного слоя получается значительно больше. После электроконтактного разрезания в воздушной среде на заготовке наблюдается ли­тая структура.

Глубина Н (мм) измененного слоя для стальных заготовок в за­висимости от вида обработки приведена в табл. 2.1.

Если мм, у всех сплавов, как правило, наблюдаются микротрещины. Подогрев заготовки перед обработкой позволяет снизить толщину измененного слоя в несколько раз, однако при этом необходимо использовать негорючие рабочие среды, что ус­ложняет конструкцию станков и их обслуживание.

Таблица 2.1