Значения глубины измененного слоя

Вид обработки	, мм
Черновая обработка (на электроимпульсном режиме)	0,1…0,4
Чистовая обработка (на электроискровом режиме)	0,004…0,1
Шлифование в жидкости	0,005…0,08
Разрезание в жидкости	0,1…0,5
Электроконтактная обработка на воздухе	≤ 5

Состояние поверхностного слоя определяет износостойкость, прочность и другие свойства детали в механизме. После электро­эрозионной обработки поверхностный слой приобретает свойства, по-разному влияющие на эксплуатационные характеристики дета­лей. Положительными являются повышение твердости поверхности при сохранении вязкости сердцевины, большое количество лунок на поверхности, плавное их сопряжение. К недостаткам следует от­нести возможность появления трещин, растягивающих напряжений, трудность получения поверхности с малой шероховатостью.

2.5. Расчет параметров средств технологического оснащения.

2.5.1. Расчет электродов-инструментов (ЭИ)

Особенности конструкции ЭИ. Инструмент имеет форму, обратную обрабатываемому контуру на детали, его размеры берутся с учетом межэлектродных зазоров. Исключением являются непрофилированные электроды, для про­ектирования которых требуется определить только диаметр и ма­териал проволоки или стержня. В этом случае рассчитывают на­тяжение проволоки, а для стержня – устойчивость при условиях обработки. Все виды электродов-инструментов изнашиваются, и это следует учитывать при определении их начальных размеров.

При проектировании необходимо учесть возможность создания электродов-инструментов для черновой и чистовой обработки, их количество, оценить целесообразность использования на черновых операциях инструмента, ранее примененного для чистовой обработ­ки. Если предусматривается доводка, электроды-инструменты кор­ректируют на размер припуска последующей операции.

При проектировании следует учитывать требования к материа­лам, из которых изготовлен электрод-инструмент, их стоимость и дефицитность. Если площадь обрабатывае­мой поверхности >5∙10⁵ мм², то для сниже­ния массы электрод-инструмент выполняют пустотелым (для так называемой схемы обработки-трепанации).

В случае принудительной прокачки рабо­чей жидкости в электроде должны быть пре­дусмотрены каналы, выходящие в зону обра­ботки. На рис. 2.26 показана конструкция элек­трода-инструмента для прошивания полостей в матрицах для прессования. Рабочая часть 1 выполнена из эрозионностойкого материала. В ней имеются отвер­стия 2 для прокачки жидкости из внутренней полости в зону обра­ботки. Рабочая часть соединена с технологической 3, которая слу­жит для закрепления инструмента, подвода тока и выполняется из дешевых конструкционных металлов.

Рис. 2.26. Электрод-инструмент для прошивания полостей: 1 – рабочая часть, 2 – отверстие для прокачки жидкости, 3 – технологическая часть.

3

Если электрод-инструмент имеет небольшие габариты, то его изготовляют цельным из материала, применяемого для рабочей части.

При выборе материала принимают во внимание его эрозионную стойкость, удельную проводимость, возможность изготовления ин­струмента требуемой формы с минимальными затратами, стои­мость, прочность, коррозионную стойкость, отсутствие вредных для здоровья обслуживающего персонала выделений под действием вы­соких температур при разряде.

Для чистовой обработки, осуществляемой обычно на электро­искровом режиме, наиболее часто используют инструменты из обычной и пористой меди, латуни. Медь должна быть без приме­сей, так как даже минимальные включения других элементов рез­ко снижают электроэрозионные свойства, повышают износ. Для черновых операций, выполняемых на электроимпульсном режиме, в качестве материала электродов-инструментов применяют графи­товые и медно-графитовые композиции, алюминий, цинковые спла­вы. Графитовые материалы стремятся выбирать мелкозернистой структуры – они обладают повышенной механической прочностью. Из таких материалов можно создать инструменты с острыми угла­ми и тонкими перемычками, эффективные на чистовых операциях. К недостаткам следует отнести повышенную стоимость по сравне­нию с материалами с более крупными зернами и более низкую про­изводительность процесса. Для черновых операций чаще применя­ют дешевые и стойкие графитовые материалы с укрупненным зер­ном.

Для изготовления мелких отверстий используют инструменты из вольфрама, молибдена, латуни. Вольфрам и молибден обладают вы­сокой эрозионной стойкостью в широком диапазоне режимов. Но это дорогие, дефицитные, трудно поддающиеся обработке материа­лы.

Для электроконтактной обработки применяют инструменты из меди, латуни, чугуна, дешевых марок стали. Возможно применение и обычных эрозионностонких материалов. Серый чугун имеет удов­летворительную эрозионную стойкость при обработке на всех ре­жимах. Он хорошо обрабатывается, недорог, из него выполняют электроды-инструменты для чистовых операций.

Непрофилированныс электроды-инструменты обычно изготовля­ют из вольфрамовой или латунной проволоки. Вольфрамовая про­волока имеет большую удельную прочность, но низкую удельную проводимость и применяется для электродов диаметром мм.

В зависимости от назначения и материала электроды-инстру­менты могут быть цельными или сборными.

При схеме прошивания применяют электроды-инструменты в виде стержней (рис. 2.27, а) и трубок (рис. 2.27, б) из проката различных сечений.

Рис. 2.27. Различные виды сечений электродов-инструментов:

а) стержней; б) трубок.

В них рабочая и технологическая части объедине­ны Отверстия в трубках могут быть круглыми, прямоугольными, винтовыми и др. Медные стержни и трубки выпускают серийно, их минимальный наружный размер 0,2 мм; допустимая погрешность ±0,01 мм. Аналогичные электроды-ин­струменты могут быть выполнены из латуни, алюми­ния и его сплавов.

Для прошивания отверстий используют проволо­ку диаметром = 0,025...1,5 мм, с погрешностью не более ±1,5 % от номинального размера. При вы­полнении прецизионных отверстий (рис. 2.28) после вскрытия их рабочей частью 2 производят калибров­ку (доводку). Для этого калибрующую часть 1 вы­полняют с большим диаметром и подключают ее к генератору с более мягким калибрующим режимом. Известно выполнение электродов с несколькими ступенями и подключением каждой из них на от­дельный электрический режим. Иногда калибровку выполняют спе­циальным грибовидным электродом-инструментом (рис, 2.29), у ко­торого рабочий диаметр значительно превышает диаметр , по которому электрод-инструмент устанавливают в электрододержателе. Разница в диаметрах снижает погрешность диаметра отверстия, возникающую вследствие боковых разрядов. По той же при­чине стремятся уменьшить высоту . Грибовидные конструкции мо­гут быть цельными и сборными. Нерабочие участки электрода-ин­струмента / иногда покрывают изоляцией или втулкой 2 из диэлек­трика.

Рис. 2.27. Ступенчатый электрод-инструмент для выполнения прецизионных отверстий: 1 – калибрующая часть, 2 рабочая часть.

Рис. 2.28. Грибовидный электрод-инструмент: 1 – нерабочие участки ЭИ, 2 – изоляция или диэлектрическая втулка.

Для прошивания полостей применяют сплошные или сборные электроды-инструменты из графитовых материалов. Иногда корпус электрода-инструмента выполняют из дешевого конструкционного материала, а на рабочую часть гальваническим методом или напылением наращивают эрозионностойкий слой.

Сборные электроды-инструменты могут быть выполнены, например, из набора стержней или трубок (рис. 2.29). Для изготовления полостей стержни или трубки 1 в виде пакета устанавливают в макете 2 детали и закрепляют в таком положении электрододержателем 3, в котором могут быть предусмотрены полость и отвер­стие 4 для прокачки рабочей жидкости через электроды (рис. 2.29, а). Если необходимо изготовить глухое или сквозное отверстие сложной формы, то трубки или стержни 4 набирают в шаблоны 1, 2, которые скоординированы штифтами 3 или другими элементами (рис. 2.29,б).

При электроэрозионном шлифовании в качестве инструмента используют металлический или графитовый диск; для отрезания применяют диски из листового материала с толщиной от 0,3...0,5 мм до нескольких миллиметров или стальную ленту, перемещающуюся по шкивам. Толщина ленты не превышает 1...1,5 мм.

б)

Рис. 2.29. Сборные электроды-инструменты для изготовления

а) полостей с прокачкой рабочей жидкости через электроды: 1 – стержни или трубки, 2 – макет, 3 – электрододержатель, 4 – отверстие для прокачки рабочей жидкости;

б) глухих или сквозных отверстий сложной формы

и фасонного стержня (б): 1 и 2 – шаблоны, 3 – штифты, 4 – трубки или стержни.

Расчет рабочей части ЭИ. При прошивании отверстий постоянного сечения размеры элект­рода-инструмента определяют, исходя из размеров отверстия. Для круглых сечений

(2.23)

где – диаметр электрода-инструмента; – диаметр отверстия в детали; – боковой зазор, т.е, расстояние между противолежащи­ми участками поверхностей электрода и заготовки, параллельных направлению их движения.

Боковой зазор зависит от энергии импульсов, материалов элект­родов, состава и направления движения рабочей среды, размеров отверстия. На черновых режимах = 0,15...0,5 мм, на чистовых = 0,005...0,05 мм. Если после элсктроэрозионной обработки преду­смотрена дополнительная операция, то формула (2.23) примет вид

где – припуск на последующую обработку. Припуск должен быть не менее шероховатости поверхности, глубины измененного слоя, погрешности в результате электроэрозионной обработки и по­грешностей установки и базирования на последующей операции. Если электрод-инструмент ступенчатый, то расчет проводят толь­ко для калибрующей части.

Длина электрода-инструмента

где – длина участка закрепления в электрододержателе; – глубина отверстия; – сокращение его длины за счет износа; – длина участка, необходимого для калибровки отверстия, если оно сквозное. Для расчета берут ; ; сокращение длины можно оценить как износ в процентах от длины отверстия , т.е. . Тогда

(2.24)

Если отверстие глухое, то потребуются электроды-инструменты дли­ной для черновой и длиной для чистовой обработки:

(2.25)

В тех случаях, когда одного электрода-инструмента для калиб­ровки глухого отверстия повышенной точности недостаточно, при­меняют несколько калибрующих электродов-инструментов с рабо­чей частью, имеющей длину . При смене электрода-инстру­мента следует сохранять единые установочные базы; это позволяет устранить погрешности базирования.

При прошивании полостей размеры вертикальных участков рас­считывают по формуле, аналогичной формуле (2.23), когда вместо диаметров подставляют длину участков в сечении, перпендикуляр­ном направлению движения электродов. Число электродов-инстру­ментов, потребных для чистовой обработки, зависит в основном от эрозионной стойкости их материалов. В ряде случаев можно по­лучить требуемую полость без смены электрода-инструмента.

При сложном профиле углубления (рис. 2.29) межэлектродный зазор вдоль поверхности инструмента изменяется от торцового до бокового . Расчет выполняют для калибрующего электрода-инструмента без учета его износа. Характер изменения зазора в общем случае нелинейный. На примере рис. 2.29 изменение зазора от торца (точка 0) до окончания криволинейного участка (точка 1) выражается зависимостью (рис. 2.30). Заштрихована зо­на, в которой имеет место изменение зазора. Учитывая значитель­ное колебание размеров зазоров из-за колебаний условий обработ­ки, можно в этих пределах заменить действительную кривую прямой , которая открывает возможность приближенно найти профиль электрода-инструмента, если задана форма углубления в детали. Расчет выполняют аналитическим или графо-ана­литическим методом. Во втором случае расчет ведут в таком порядке:

1) строят в масштабе профиль углубления в детали;

2) берут из экспериментов или рассчитывают торцовый и боко­вой зазоры;

3) откладывают по нормали к поверхности углубления в дета­ли размеры зазоров и ;

4) строят линию изменения зазоров от торца электрода-инстру­мента до бокового участка. Зазор , принимая, что он изменяется по прямой , в каждой точке можно оценить по формуле , где – расстояние от торца до расчетной точки профи­ля углубления; – длина контура углубления в детали (см. рис. 2.30). Размер бокового зазора зависит от скорости и направления протекания среды в случае ее принудительной прокачки. При чис­товых операциях размер бокового зазора может находиться в пре­делах 0,01...0,1 мм.

Рис. 2.30. Изменение межэлектродного зазора вдоль поверхности инструмента.

Рис. 2.31. Кривая изменения межэлектродного зазора.

Диапазон скоростей прокачки жидкости через промежуток со­ставляет 0,03...0,8 м/с для графитовых электродов-инструментов и 0,03...0,2 м/с для медных. При меньших скоростях продукты обра­ботки накапливаются в промежутке, нарушая процесс электроэрозионной обработки. Если скорость превышает верхний предел, то возрастает давление жидкости на электрод-инструмент, снижается точность процесса, увеличивается расход энергии на ее прокачку. Отверстия 1, 2, 3 для подвода жидкости (рис. 2.32) целесооб­разно расположить так, чтобы длина пути, проходимого частицами до выхода из промежутка, была наимень­шей, а различие между этими длинами было бы не более чем вдвое.

Тогда боковой зазор между электродом-инстру­ментом 4 и заготовкой 5 будет иметь ми­нимальные отклонения от среднего рас­четного значения. Отверстия 1, 2, 3 рас­полагают по оси симметрии детали, что позволяет обеспечить

Рис. 2.32. Расположение отверстий для подвода жидкости в ЭИ при прошивании полостей: 1, 2 и 3 – отверстия, 4 - электрод-инструмент, 5 – заготовка.

заданные условия течения жидкости. Если площадь рабочей поверхности электрода-инструмента не превышает 2000...3000 мм², то можно ограничиться одним отверстием в центре рабочей поверхности ин­струмента. Отверстия выполняют в выступающих частях электро­да-инструмента. Площадь сечения отверстий для подвода жидкости рассчитывают с учетом выбранной скорости ее прокачки и зазора в такой последовательности:

1) находят расход жидкости, требуемый для обеспечения задан­ной скорости потока в межэлектродном промежутке:

(2.26)

где – скорость потока жидкости (для расчетов выбирают верх­ний предел); – длина периметра углубления в детали (для рас­четов берут наибольший периметр); – боковой межэлектродный зазор. Если прошивают отверстие, то вместо бокового берут тор­цовый зазор;

2) рассчитывают общую площадь сечения отверстий в электро­де-инструменте для подвода жидкости , где – средняя скорость протекания жидкости через отверстия. Для устранения кавитации на выходе жидкости из отверстия м/с;

3) исходя из конструкции углубления, находят число отверстий для подвода жидкости;

4) определяют среднюю площадь отверстия ;

5) рассчитывают диаметр отверстия . Диамет­ры отверстий выбирают такими, чтобы не искажалась форма поло­сти – обычно = 1...3 мм.

Вместо прокачки иногда применяют отсос жидкости через от­верстия. Это позволяет избежать попадания загрязненной рабочей среды в боковое пространство между электродами и снижает чис­ло паразитных импульсов через боковой зазор. Однако конструк­ции приспособлений для отсоса значительно сложнее, чем для про­качки жидкости, поэтому такой способ нашел ограниченное ис­пользование. Кроме устройств для отвода и подвода рабочей среды при больших площадях обработки применяют отверстия для дегаза­ции межэлектродного промежутка. Их располагают во впадинах ра­бочей части электрода-инструмента между отверстиями для про­качки жидкости.

При электроэрозионном шлифовании для повышения технологических показателей обработки целесообразно повышать скорость перемещения инструмента относительно дета­ли. Поэтому при электроэрозионном шлифовании используют ско­рости круга до 40...50 м/с. Диаметр круга рассчитывают так, чтобы при имеющемся на станке приводе инструмента обеспечить требуемую окружную скорость: , где п₀ – частота вра­щения шпинделя станка.

Если инструмент изготовлен из графита, чугуна или другого хрупкого материала, то необходимо выполнить проверочный расчет на прочность его при рабочих скоростях, принимая при этом коэф­фициент запаса прочности не менее 2. Желательно, кроме того, один-два диска от партии испытать в разгонной камере до частоты вращения, вызывающей их разрыв.

При разрезании расчет профильного дискового инструмента аналогичен приведенному для шлифования.

Для прорезания узких пазов (менее 0,1…0,15 мм) используют проволочный электрод-инструмент, который рассчитывают, исходя из ширины паза . При этом следует учесть уменьшение диаметра проволоки за счет эрозии. Начальный диаметр

(2.27)

где = 2...5 – коэффициент, учитывающий эрозию проволоки; = 5...20 мкм – межэлектродный зазор.

Следует учитывать, что стандартные диаметры вольфрамовой и латунной проволоки не могут во всех случаях отвечать расчетным значениям. Поэтому приходится либо протягивать проволоку на требуемый диаметр, либо так подбирать скорость ее перемотки, чтобы мог быть получен коэффициент , обеспечивающий получение заданной ширины паза. Для латунной проволоки диаметром = 0,1 мм скорость перемотки должна быть не менее 5 мм/с ( = 2,5), для = 0,2 мм – не менее 1,5 мм/с ( = 2...2,3), для = 0,3 – не менее 0,8 мм/с ( = 3...3,5). Если скорость прово­локи диаметром 0,3 мм удвоить, то коэффициент примет значе­ние 1,8...2. Таким образом, изменяя скорость перемотки, можно в несколько раз изменить расчетный диаметр проволоки и подобрать ближайший стандартный ее размер. Для обработки заготовок с толщиной свыше 15...20 мм рекомендуется использовать проволоку диаметром более 0,2 мм.

Если ширина паза в детали не ограничена, то скорость перемот­ки проволоки берут близкой к минимальному значению, а расчет ширины паза не делают.

При электроэрозионном легировании размеры электрода-инстру­мента обычно выбирают из конструктивных соображений (разме­ров обрабатываемой поверхности заготовки, способа подвода инст­румента к месту обработки и др.)