Вопрос 2. Электрофизические методы обработки.
Электроэрозионная обработка основана на вырывании частиц материала с поверхности импульсом электрического разряда. Если задано напряжение (расстояние) между электродами, погруженными в жидкий диэлектрик, то при их сближении (увеличении напряжения) происходит пробой диэлектрика - возникает электрический разряд, в канале которого образуется плазма с высокой температурой.
Электроэрозионные методы особенно эффективны при обработке твёрдых материалов и сложных фасонных изделий. При обработке твёрдых материалов механическими способами большое значение приобретает износ инструмента. Преимущество электроэрозионных методов (как и вообще всех Э. и э. м. о.) состоит в том, что для изготовления инструмента используются более дешёвые, легко обрабатываемые материалы. Часто при этом износ инструментов незначителен. Например, при изготовлении некоторых типов штампов механическими способами более 50% технологической стоимости обработки составляет стоимость используемого инструмента. При обработке этих же штампов электроэрозионными методами стоимость инструмента не превышает 3,5%. Условно технологические приёмы электроэрозионной обработки можно разделить на прошивание и копирование. Прошиванием удаётся получать отверстия диаметром менее 0,3 мм, что невозможно сделать механическими методами. В этом случае инструментом служит тонкая проволочка. Этот приём на 20-70% сократил затраты на изготовление отверстий в фильерах, в том числе алмазных. Более того, электроэрозионные методы позволяют изготовлять спиральные отверстия. При копировании получила распространение обработка ленточным электродом (рис. 3). Лента, перематываясь с катушки на катушку, огибает копир, повторяющий форму зуба. На грубых режимах лента "прорезает" заготовку на требуемую глубину, после чего вращением заготовки щель расширяется на нужную ширину. Более распространена обработка проволочным электродом (лента заменяется проволокой). Этим способом, например, можно получать из единого куска материала одновременно пуансон и матрицу штампа, причём их соответствие практически идеально. Возможности электроэрозионной обработки при изготовлении деталей сложной формы видны из рис. 4. Другие её разновидности: размерная обработка, упрочнение инструмента, получение порошков для порошковой металлургии и др.
Первый в мире советский электроэрозионный (электроискровой) станок был предназначен для удаления застрявшего в детали сломанного инструмента (1943). С тех пор в СССР и за рубежом выпущено большое число разнообразных по назначению, производительности и конструкции электроэрозионных станков. По назначению (как и металлорежущие станки) различают станки универсальные, специализированные (см., напр.,рис. 5) и специальные, по требуемой точности обработки - общего назначения, повышенной точности, прецизионные. Общими для всех электроэрозионных станков узлами являются устройство для крепления и перемещения инструмента (заготовки), гидросистема, устройство для автоматического регулирования межэлектродного промежутка (между заготовкой и инструментом). Генераторы соответствующих импульсов (искровых или дуговых) изготовляются, как правило, отдельно и могут работать с различными станками. Основные отличия устройств для перемещения инструмента (заготовки) в электроэрозионных станках от таковых в металлорежущих станках - отсутствие значительных силовых нагрузок и наличие электрической изоляции между электродами. Гидросистема состоит из ванны с рабочей жидкостью (технического масла, керосин и т. п.), гидронасоса для прокачивания жидкости через межэлектродный промежуток и фильтров для очистки жидкости, поступающей в насос, от продуктов эрозии.
Электроимпульсный станок отличается от электроискрового практически только генератором импульсов. Советская промышленность выпускает генераторы различного назначения. Развитие техники полупроводниковых приборов позволило создать генераторы, обеспечивающие изменение параметров импульсов в широких пределах. Например, у советского генератора ШГИ-125-100 диапазон частот следования импульсов 0,1-100 кгц,длительность импульсов 3-9000 мксек, максимальная мощность 7,5 квт, номинальная сила тока 125 а. Диапазон рабочих напряжении, вырабатываемых для электроискровой обработки, - 60-200 в, а для электроимпульсной - 20-60 в. Современные электроэрозионные станки - высокоавтоматизированные установки, зачастую работающие в полуавтоматическом режиме.
Т. к. длительность используемых в данном методе обработки электрических импульсов не превышает 10-2 сек, выделяющееся тепло не успевает распространиться в глубь материала и даже незначительной энергии оказывается достаточно, чтобы разогреть, расплавить и испарить небольшое количество вещества. Кроме того, давление, развиваемое частицами плазмы при ударе об электрод, способствует выбросу (эрозии) не только расплавленного, но и просто разогретого вещества. Поскольку электрический пробой, как правило, происходит по кратчайшему пути, то прежде всего разрушаются наиболее близко расположенные участки электродов. Т. о., при приближении одного электрода заданной формы (инструмента) к другому (заготовке) поверхность последнего примет форму поверхности первого (рис. 2). Производительность процесса, качество получаемой поверхности в основном определяются параметрами электрических импульсов (их длительностью, частотой следования, энергией в импульсе). Электроэрозионный метод обработки объединил электроискровой и электроимпульсный методы.
Электроэрозионная обработка - это один из видов электроискровой обработки металлов, который заключается в выравнивании предварительно заряженных отрицательным и положительным зарядом частиц. Варьируя расстояние между электродами, можно увеличивать или уменьшать напряжение, вырабатывая необходимую реакцию. При этом разрушаются только лишь наиболее близкие зоны, а остальная поверхность не нагревается. Другими словами данная обработка связана с вырыванием частиц материала с поверхности, при помощи импульса электрического разряда. Заданное напряжение (расстояние) между электродами, которые погружены в жидкий диэлектрик, при их сближении (увеличении напряжения) способствует пробою диэлектрика. В канале возникшего электрического разряда образуется плазма высокой температуры, что и позволяет выполнять электроэрозионную обработку.
За последние годы электроэрозионные работы: обработка и резка не только окончательно закрепили свои позиции в современном инструментальном производстве, но и продолжает развиваться быстрыми темпами в направлении улучшения качественных показателей и предложения новых конструктивных решений. Данный вид обработки дает заметный эффект в работе с твёрдыми материалами и производстве изделий со сложной и индивидуальной геометрией. Электроэрозионная резка металла позволяет изготавливать детали самых различных конфигураций. Правильно подобрав форму электрода и рассчитав необходимое воздействие, можно получить детали высокой степени точности.
Сущностью процесса электроэрозионной резки является воздействие на деталь искровых разрядов, образующихся вследствие протекания импульсного тока с частотой в районе 240 кГц между электродом-проволокой и деталью, находящихся в непосредственной близости друг от друга в среде жидкого диэлектрика. В результате этих разрядов из материала детали выбиваются микрочастицы, которые выносятся из межэлектродного зазора (GAP) струей диэлектрика. Кроме этого, диэлектрик играет роль катализатора процесса распада, так как при высочайшей температуре разряда диэлектрик в зоне эрозии превращается в пар. Происходит дополнительный микровзрыв пара, который не может сразу выйти из межэлектродного зазора.
Электроэрозионная обработка. За последние годы электроэрозионная обработка не только окончательно закрепила свои позиции в современном инструментальном производстве, но и продолжает развиваться быстрыми темпами в направлении улучшения качественных показателей и предложения новых конструктивных решений.
Открытие формообразующего воздействия электрической эрозии на токопроводящие материалы состоялось в 1943 году и принадлежит нашим соотечественникам - супругам Б. и Н. Лазаренко. Когда повсюду в мире в 50-х годах лучшие умы всерьез взялись за эту технологию, чья-то советская руководящая воля свернула перспективные разработки и ввергла нас в отставание на многие десятки лет в области электроэрозионной обработки. Ну что же, как это не горько, поговорим об успехах других.
Диэлектрик в электроэрозионной обработке. Советские исследователи, супруги Лазаренко, которые впервые и открыли возможность использования явления электрической эрозии для обработки то-копроводящих материалов, в качестве диэлектрика вначале использовали окружающий воздух. Однако скоро выяснилось, что производные минеральных масел имеют в этом плане несравнимые преимущества: сила разряда - больше, можно работать с меньшими искровыми промежутками, что улучшает точность операции. Новый материал диэлектрика также позволил увеличить частоту разрядов и лучше вымывать частички эродированного металла.
С 1960 года на рынок стали выходить химические компании, предлагающие специальные составы для использования в электроэрозионных установках.
Электроды - инструмент и заготовка - закреплены оснасткой станка и не соприкасаются друг с другом. Генератор электрических импульсов задает периодичность и напряженность электрического поля вокруг электродов. Во время процесса электроискрового воздействия серия периодических блуждающих электрических разрядов снимает тончайший слой материала с заготовки. В точке, где напряженность электрического поля достигает максимума, происходит электрический разряд - молния в "микроатюре". Под действием электрического поля электроны и свободные положительные ионы разгоняются до высоких скоростей и моментально образуют ионизационный туннель, обладающий электрической проводимостью. Возникает электроток, и между электродом и заготовкой образуется искровой разряд, приводящий к столкновениям элементарных частиц. Во время этого процесса образуется газовый пузырек, давление которого непрерывно нарастает до образования плазменной зоны.
Плазменная зона быстро достигает сверхвысоких температур - от 8000 до 12000°С - благодаря нарастающему числу столкновений элементарных частиц. Этот процесс приводит к моментальному плавлению микрослоев вещества у электрода. При исчезновении электрического поля внезапное снижение температуры приводит к взрыву плазменного пузырька, что сопровождается отрывом части материала с заготовки, и к образованию на этом месте микроскопического кратера. Эродированный материал затем формируется заново в виде маленьких сфер, которые вымываются жидкостью-диэлектриком. При очень коротком разрядном импульсе в движение приводится больше отрицательно заряженных частиц, нежели положительно заряженных. Чем больше частиц определенного заряда движутся к электроду, тем больше тепла вырабатывается на его поверхности. Из-за большего размера положительные частицы способствуют выработке большего тепла при тех же скоростях бомбардировки электрода-цели. Чтобы минимизировать снятие материала заготовки или износ инструмента, полярность выбирается таким образом, чтобы как можно больше тепла высвобождалось со стороны заготовки до завершения разряда. Для чего при коротких разрядах электрод-инструмент соединяется с отрицательной клеммой и, таким образом, имеет отрицательную полярность. При длительных разрядах, наоборот, электрод-инструмент подключается к положительному полюсу. На протяженность импульса, при которой должна поменяться полярность на заготовке и электроде-инструменте. влияет целый ряд факторов, в большей степени зависящих от физических параметров инструмента и свойств материала электрода. Когда идет обработка стали медным электродом, продолжительность периодичного генерируемого импульса составляет порядка 8 микросекунд.
Электроискровая обработка была предложена советскими учёными H. И. и Б. Р. Лазаренко в 1943 году. Она основана на использовании искрового разряда. При этом в канале разряда температура достигает 10000 С, развиваются значительные гидродинамические силы, но сами импульсы относительно короткие и, следовательно, содержат мало энергии, поэтому воздействие каждого импульса на поверхность материала невелико. Метод позволяет получить хорошую поверхность, но не обладает достаточной производительностью. Кроме того, при этом методе износ инструмента относительно велик (достигает 100% от объёма снятого материала). Метод используется в основном при прецизионной обработке небольших деталей, мелких отверстий, вырезке контуров.твердосплавных штампов проволочным электродом (см. ниже).
Электроимпульсная обработка основана на использовании импульсов дугового разряда. Предложена советским специалистом М. М. Писаревским в 1948. Этот метод стал внедряться в промышленность в начале 1950-х гг. В отличие от искрового, дуговой разряд имеет температуру плазмы ниже (4000-5000С), что позволяет увеличивать длительность импульсов, уменьшать промежутки между ними и т. о. вводить в зону обработки значительные мощности (несколько десятков квт), т. е. увеличивать производительность обработки. Характерное для дугового разряда преимущественно разрушение катода приводит к тому, что износ инструмента (в этом случае он подключается к аноду) ниже, чем при электроискровой обработке, составляя 0,05-0,3% от объёма снятого материала (иногда инструмент вообще не изнашивается). Более экономичный электроимпульсный метод используется в основном для черновой обработки и для трёхкоординатной обработки фасонных поверхностей. Оба метода (электроискровой и электроимпульсный) дополняют друг друга.