4.4. Основные закономерности процесса ээо

Основные технологические показатели процесса (точность, качество поверхности, производительность) зависят от количества выплавляемого за один импульс металла из лунки. Это количество определяется энергией импульса, временем действия импульсов и частотой их следования. Энергия импульса А_И как работа электрического тока определяется произведением силы тока I на напряжение U за время t_И протекания импульса:

(4.1)

В первом приближении энергию аи можно рассчитывать по средним значениям силы тока и напряжения:

. (4.2)

Среднее значение напряжения пробоя U_ср=(0,5-0,75)·U₀, где U₀ – напряжение холостого хода при разомкнутых электродах. Напряжение U₀ легко контролировать в процессе обработки.

При электроискровом режиме принимают U₀=(40-180) В. Если используют электроимпульсный режим, то U₀=(18-36) В. Электроконтактная обработка в жидкой среде протекает при U₀=(18-40)В, в воздухе – при U₀=(3-12)В.

Среднюю силу тока определяют через её значение I_КЗ при коротком замыкании электродов:

. (4.3)

Силу тока короткого замыкания можно устанавливать и контролировать по приборам станка. Её выбирают в зависимости от обрабатываемого материала и требуемой шероховатости поверхности. Для стали при черновой обработке I_КЗ = (20-120) А, при чистовой обработке I_КЗ = (0,5-5) А, для твёрдых сплавов I_КЗ = (0,05-0,2) А.

Длительность импульсов t_И обратно пропорциональна частоте их следования. Временные интервалы при импульсной обработке характеризуются следующими величинами:

• скважность – отношение периода Т повторения импульсов к их длительности q=T/t_И;

• частота следования импульсов – величина, обратная периоду повторения f=1/T.

Следовательно: . (4.4)

Длительность импульса для черновой обработки сталей t_И = (0,2-100)·10^-3 с, для чистовой обработки t_И = (5-200)·10^-6 с. Для твёрдых сплавов длительность импульса ещё на 2-3 порядка ниже.

При ЭЭО используются импульсы различной формы, но одной полярности (униполярные) – рисунок 4.8.

Рис.4.8. Формы импульсов, используемые при ЭЭО

Форма импульсов выбирается такой, чтобы при определённых параметрах импульса получить наибольшее углубление на заготовке. То есть достичь наиболее эффективного использования подводимой энергии. Так, увеличение тока в импульсе в два раза позволяет для определённого диапазона режимов поднять скорость эрозии в 2,5-3 раза. В рабочем диапазоне режимов выбирают определённое соотношение максимального значения силы тока в импульсе к его длительности.

4.5. Тепловые процессы на электродах

Точно рассчитать температуру в окрестностях области разряда не представляется возможным. Это связано с отсутствием сведений о тепловых потоках, начальной конфигурации поверхности электрода и другой необходимой информации. Поэтому решение носит приближённый характер. Принимают следующие допущения:

• разряд принимают стационарным точечным источником теплоты;

• теплофизические параметры – неизменными в течение времени протекания процесса;

• тепловые потоки усредняют по времени.

Методика нахождения температуры одинакова для обоих электродов.

Схема расчёта показана на рисунке 4.9.

Рис.4.9. Схема расчёта распределения температуры в окрестностях области разряда (пояснения в тексте)

Точечный источник 1 излучает теплоту равномерно во все стороны. Из-за малых размеров зазора бóльшая его часть попадает на электрод 2. Граница плавления металла будет перемещаться по сфере, принимающей последовательно положения а, б, в, г до окончания действия импульса напряжения. Для простоты расчёта принимаем, что потерь теплоты в МЭП не происходит.

Из теории теплопередачи известно, что приращение температуры твёрдого тела зависит от энергии импульса А_И, расстояния r до источника теплоты, удельной теплоёмкости С, плотности ρ материала электрода, потерь энергии:

, (4.5)

где Т – температура в точке, находящейся в зоне действия импульса; Т₀ – начальная температура электрода; η_И – коэффициент полезного использования энергии импульса; θ – безразмерный параметр температуры, учитывающий температуропроводность α электрода и время t_И действия тепла:

. (4.6)

Здесь - критерий Фурье.

Для расчёта необходимо знать значение коэффициента η_И, который характеризует долю энергии импульса, используемую на расплавление металла. Он учитывает следующие потери теплоты:

1. На нагрев и испарение жидкости, образование ударной волны и газового пузыря. Эти потери оцениваются коэффициентом К₁. При электроискровом режиме К₁ ≈ 0,5, при электроимпульсном режиме К₁ ≈ 0,47.

2. На нагрев второго электрода. Потери учитываются коэффициентом К₁ ≈ 0,5, Его значение зависит от теплопроводности, теплоёмкости, плотности материалов электродов, их расположения. Причём бόльшая часть энергии перейдёт на электрод с бόльшей теплопроводностью. При вертикальной подаче (движении):

для верхнего электрода ;

для нижнего , где .

Здесь λ_В и λ_Н – коэффициенты теплопроводности электродов; С_В и С_Н – удельные теплоёмкости; ρ_В и ρ_Н – плотности материалов соответственно верхнего и нижнего электродов.

3. Зависящие от свойств среды, в которой происходит ЭЭО. Эти потери характеризуются коэффициентом К₃, который для разных диэлектрических жидкостей принимает значение от 0,2 до 0. Для керосина К₃ = 0,2; для масел К₃ = 0.

4. Зависящие от изменения напряжения. Оцениваются коэффициентом К₄ = ± 0,1. Если напряжение ниже номинала, то берётся знак минус «-», если выше – плюс «+».

Коэффициент полезного использования энергии:

(4.7)

Расчёт температуры позволяет определить границу жидкого металла, зоны фазовых превращений в лунке и прилегающей к ней области.

Рис.4.10. Распределение температуры в виде изотерм в конце действия импульса с энергией 0,54 Дж длительностью 0,008 с

На рис.4.10 показано распределение температуры в виде изотерм в конце действия импульса с энергией 0,54 Дж длительностью 0,008 с. расстояние между соседними изотермами составляет 5·10^-6м. Значение температуры показаны на выносках. Температура плавления металла с учётом его перегрева на 80К принята 1800К. Перегрев необходим для обеспечения жидкотекучести металла при выбрасывании его из лунки. Глубина лунки, обозначенная радиальной штриховкой, составит при этих условиях около 20·10^-3м. Зная распределение температуры, можно найти толщину слоя металла с изменившимися в результате термического цикла свойствами.