2. Сутність процесу електроерозійної обробки

Електрична ерозія -. направлене руйнування електропровідних матеріалів в результаті короткочасної теплового дії імпульсних електричних розрядів між інструментом і заготівкою деталі в рідкому діелектричної середовищі (2)

При опису суті процесу ЕЕО необхідно ввести наступні поняття [3, 6]:

Міжелектродний проміжок (МЕП) - це простір між електродом-деталлю (ЕД) і електродом-інструментом (ЕІ) при електроерозійній обробці;

Міжелектродний зазор (МЕЗ) - відстань в розглянутому місці міжелектродного проміжку між поверхнями ЕІ та ЕД, перпендикулярними напрямку подачі;

Робочий імпульс - імпульсний розряд, що робить з'їм металу внаслідок електричної ерозії.

Для здійснення процесу ЕЕО необхідно створити велику концентрацію енергії в зоні розряду. Для досягнення цієї мети використовується генератор імпульсів (ГІ). Імпульси струму, сформовані ГІ, подаються на електрод-деталь і електрод-інструмент. Процес ЕЕО відбувається в робочій рідині - діелектрику, яка заповнює МЕП.

Оскільки при ЕЕ-обробці МЕП заповнений рідким діелектричним середовищем, для проходження імпульсу струму необхідно, щоб непровідний шар РР перетворився в провідник. В роботі [3] явище миттєвого перетворення діелектрика, що заповнює МЕП, в провідник названо пробоєм міжелектродного проміжку, або стримером.

Як відомо [1, 2, 3], в будь-якій речовині присутня деяка кількість вільних носіїв заряду (електрони і іони), існування яких обумовлено низкою зовнішніх чинників (ультрафіолетове випромінювання і т.п.). При зближенні двох металевих електродів, що знаходяться під напругою, носії заряду через дії електричного поля починають рівноприскорено переміщуватися в результаті чого відбувається їх зіткнення з молекулами речовини. Після зіткнення заряджена частинка передає частину своєї енергії молекулі речовини і втрачає швидкість. Енергія, яку електрон або іон може передати нейтральної молекулі, залежить від величини напруженості електричного поля [8](2)

де Е - напруженість електричного поля; U - напруга між електродами;  - МЕЗ.

Чим більше величина напруги, тим більше енергії носій заряду здатний передати зустрічній молекулі.

При деякому значенні напруженості на електродах досягається такий стан, при якому електрон може передавати зустрічній нейтральної молекулі енергію, достатню для іонізації, тобто з молекули атома рідини буде вибитий хоча б ще один електрон, який, як і перший, зробить іонізацію. Коли напруженість електричного поля в деякій зоні МЕЗ перевищить критичне значення (тобто там, де МЕЗ мінімальний), відбудеться лавиноподібне наростання числа нових носіїв зарядів, що призведе до перекриття всього проміжку каналом, що складається з вільних іонів і електронів і, отже , що володіє провідними властивостями (рис. 1.2), іншими словами, утворюється стример.

Рисунок 2. Схема утворення каналу пробою

Згідно [1] стример представляє плазмовий канал, котрий розширюється протягом дії імпульсу (рис. 3).

У початковий момент часу плазма в каналі пробою не має ні радіуса, ні маси. Високотемпературний канал пробою випромінює енергію, яка поглинається оточуючим діелектриком, так само як і металевими електродами. Випромінювання плазми випаровує і іонізує тонкий шар навколишньої рідини, що йде на збільшення маси плазми. Радіус каналу плазми збільшується з часом через високий внутрішній тиск в каналі і перетворення навколишнього діелектрика в плазму. На це перетворення йде 70-74% загальної енергії.

Рисунок 3. Плазмовий канал

Процес утворення стримера залежить від безлічі факторів: властивостей РР, ступеня забруднення РР продуктами ерозії, матеріалу електродів і ін.

Після проходження імпульсу струму напруга між електродами відсутня, відбувається деіонізація РР, тобто нейтралізація заряджених частинок. Простір між електродами підготовлена для нового проходження чергового заряду. Знову прикладена до електродів напруга створює передумову до утворення наступного розряду електричного імпульсу, тобто процес утворення стримера повторюється. Сукупність електричних розрядів проходять від ЕІ до ЕД з певною частотою їх слідування і реалізує процес ЕЕО. Кількість теплової енергії, яка виділяється на електродах, неоднакова, так само як і кількість матеріалу, що знімається з поверхонь ЕІ та ЕД. Дана нерівновага залежить від безлічі факторів: теплофізичних властивостей матеріалів ЕІ і ЕД, параметрів робочих імпульсів, а також полярності робочих імпульсів. Було встановлено [7], що за допомогою варіювання цими факторами можна збільшувати або зменшувати ерозію електродів.

Ерозія ЕІ є небажаним явищем в ході ЕЕО. Це пов'язано з тим, що спотворення форми електрода-інструмента справлятиме негативний вплив на точність ЕЕО і шорсткість обробленої поверхні.

При електроерозійній обробці прагнуть створити умови, при яких знос ЕІ був би незначним. Одним із способів зменшення величини зносу ЕІ є застосування уніполярних імпульсів.

Використання уніполярних імпульсів дозволяє здійснювати процес вибіркової електричної ерозії одного з електродів [6]. Якщо при цьому обидва електроди виготовлені з одного і того ж матеріалу, то при малій тривалості імпульсів переважає ерозія електроду, що має позитивну полярність (анода), а при імпульсах великої тривалості переважає ерозія електрода, що має негативну полярність (катода). Поділ імпульсів на імпульси малої і великої тривалості є умовним. Перевищення ерозії одного електрода над іншим прийнято називати в ЕЕО полярним ефектом.

Полярний ефект досягає максимального значення при використанні уніполярних імпульсів значної тривалості і невеликої енергії. Якщо оброблювана заготовка підключена до позитивного полюсу ГІ, а ЕІ - до негативного, то таке ввімкнення електродів називається включенням на пряму полярність. Якщо ЕІ підключений до позитивного полюса ГІ, а оброблювана заготовка - до негативного, то таке включення електродів називається включенням на зворотну полярність

Найбільша напруженість виникає при цьому на ділянці, де міжелектродний зазор мінімальний. Розташування цієї ділянки залежить від величини шорсткості на поверхні інструменту і заготовки, а також від наявності та розмірів електропровідних частинок (продуктів руйнування), що знаходяться в між електродному проміжку.

Рисунок 4. Схема формування міжелектродного зазору:

1 - електропровідних частка; 2 - діелектрична рідина; 3 – електрод; 4 - заготовка

На рис. 4 показано формування зазору 5 між електродом- інструментом і заготовкою.

В районі h_в виступу напруженість поля буде найбільшою, що підвищує ймовірність пробою між електродного проміжку в цій точці. Частинка 1 розміром h_Ч зменшує розрахунковий зазор до розміру s₁+s₂.

Якщо електроди зблизити до пробійної відстані, то напруженість електричного поля може досягти значення, при якому в місці мінімального зазору виникне електричний розряд. В результаті на поверхні заготовки утворюється заглиблення в формі сферичної лунки. При впливу серії розрядів поверхня набуває кратероподібної форми з явно вираженими заглибленнями у вигляді безлічі перекриваючих один одного лунок (рис. 5).

В електричному полі, що виникає в міжелектродному проміжку, в напрямку, протилежному напрямку руху електронів, відбувається переміщення важчих частинок - іонів. Електрони, мають меншу масу, швидко досягають позитивно зарядженої поверхні заготовки і нагрівають метал, викликаючи його розплавлення і випаровування в місці проходження струму. Більшість іонів, що мають значну масу, при електроіскровому режимі обробки не встигає досягти негативно зарядженого електрода і викликати видалення металу з його поверхні. Тому з'єм металу відбувається переважно з анода, яким є заготовка. Інтенсивність зносу електрода-інструменту визначається кількістю іонів, що досягають його поверхні.

Рисунок 5. Фотографія поверхні після электроэрозионной обработки

При цьому чим менше буде знос інструменту, тим точнішу отримаємо деталь виходить деталь. З цією метою прагнуть сформувати імпульс з меншою тривалістю, щоб іони не встигали досягти поверхності катода. Однак це призводить до збільшення часу обробки і зниження її продуктивності. Полярність, при якій заготовка є анодом, називають прямою, і вона, як правило, використовується при електроерозійній обробці на електроіскровому режимі.

У міру збільшення тривалості імпульсів зростає інтенсивність знімання металу з катода (інструменту) за рахунок впливу на нього потоку іонів. При цьому можна підібрати такий час проходження струму, при якому частка знімання металу електронами складе лише незначну частину від загального об’єму видаленого з електродів матеріалу. Отже, в цьому випадку за катод необхідно приймати заготовку. Полярність, при якій анодом є електрод-інструмент, називають зворотною, і вона використовується при електроерозійній обробці на електроімпульсному режимі.

Полярність залежить не тільки від тривалості імпульсу, але і від матеріалів, що використовуються в якості електродів-інструментів. Так, для зниження зносу електрода-інструменту внаслідок впливу потоку електронів його виготовляють з матеріалів, що слабо руйнуються під дією іскрових розрядів( графітових і мідно-графітових композицій).

Для кількісної оцінки зносостійкості електродів-інструментів використовують поняття відносного зносу - відношення маси або об’єму матеріалу, знятого з електрод-інструмента, до маси або об'єму металу, знятого з заготовки.

Однією з різновидів електроерозійної обробки є електроконтактна обробка. В цьому випадку імпульси струму формуються безпосередньо в проміжку, що пояснюється схемою електроконтактного методу обробки, наведеної на рис. 6. Процес протікає в діелектрику 2. Оскільки поверхні електродів-інструменту і заготовки не є ідеально гладкими (на них завжди є нерівності), то при обертанні електрода-інструменту виступи наближаються до заготовки аж до механічного контакту. На певній відстані  між елект родами відбувається розряд, що переходить в дуговий і викликає розплавлення металу. Внаслідок обертання електрода-інструмента виступ на його поверхні віддаляється від заготовки і розряд в середовищі діелектрика швидко згасає. Очевидно, що в цьому випадку тривалість і частота проходження імпульсів струму будуть залежати від форми і кількості виступів на зовнішній поверхні інструмента і від швидкості його обертання. В принципі, електрод-інструмент, що обертається сам регулює параметри імпульсів, тому не потрібно спеціального генератора, а використовується постійний або змінний струм низької напруги. Електроконтактну обробку здійснюють при прямій полярності. У міру видалення металу з заготовки залежно від схеми обробки: або уздовж (оброблюваної поверхні шліфування), або по нормалі до неї (різання) –електрод-інструмент переміщують зі швидкістю _і. ((2)

Рисунок 6. Схема електроконтактної обробки: 1 - електрод-інструмент, що обертається; 2 - діелектрична рідина; 3 - оброблювана заготовка

Якщо процес протікає в повітряному середовищі (без діелектричної рідини), то виникають більш тривалі дугові розряди, так як після контакту між інструментом і заготовкою дуга може горіти досить тривалий час. При цьому розплавлений метал може досягати протилежної поверхні і там застигати, тобто одночасно можуть протікати два процеси - розмірний з'єм і нарощування металу. Під дією тепла дуги виплавляються великі ділянки заготовки, процес протікає дуже інтенсивно і супроводжується сильним світловим випромінюванням. Електроерозійне легування здійснюють при зворотній полярності, і частинки розплавленого металу осідають на катоді (заготовці).

У загальному випадку одноразовий акт видалення металу в процесі ЕЕО обробки складається з трьох основних стадій.

Перша стадія - пробій міжелектродного проміжку в результаті утворення локальної зони з високою напруженістю поля. Під дією розряду відбувається іонізація проміжку між електродами, через який між ними починає протікати електричний струм, і утворюється канал провідності. Швидкість наростання сили струму в каналі провідності досягає сотень кілоампер в секунду. В результаті на границі каналу відбувається плавлення металу і утворюються лунки, форма яких близька до сферичної.

Друга стадія – утворення біля каналу провідності газового пузиря з парів рідини і металів. В результаті їх високого тиску (до 2 • 10⁷ Па) канал провідності прагне розширитися. За інерцією газовий пузир і рідина, що його оточує, спочатку залишаються нерухомими, а потім починається їх розширення в радіальному напрямку зі швидкістю 150...200 м/с. На зовнішній границі утворюється фронт ущільнення, де тиск різко змінюється від вихідного в рідини до високого на границі.

Третя стадія - припинення проходження струму і відрив ударної хвилі від газового пузиря. Ударна хвиля поступово гаситься навколишньою рідиною. В міжелектродному проміжку (рис. 7) на початку цієї стадії розташовуються рідкий метал в заглибленнях електродів 1 і 6; газовий пузир, усередині якого знаходяться пари металів заготовки та інструменту, а також рідкий діелектрик 5. Коли газовий пузир досягає найбільшого розміру, тиск усередині нього різко падає. При цьому в лунках розплавлений метал закіпає і викидається в між електродний проміжок.

Рисунок 7. 1 - електрод інструмент; 2 - рідкий метал; 3 - газовий пузир; 4 - пари металів заготовки та інструменту; 5 - діелектрик; 6 - електрод-заготовка

Основні технологічні показники процесу електроерозійної обробки (продуктивність, точність і якість поверхні) залежать від кількості металу, виплавленого з лунки за один імпульс. Ця кількість визначається енергією імпульсу А_імп, яку для технологічних цілей можна розрахувати за середнім значенням сили струму І_ср і напруги U_ср:

час протікання імпульсу. При цьому середнє значення пробою

Для електроерозійного режиму обробки, а середню силу струму визначають через значення сили струму І_к.з. при короткому замиканні електродів

Тривалість імпульсів обернено пропорційна частоті f їх слідування. Оскільки між імпульсами є паузи, о враховуючи скважність q – відношення періоду Т проходження імпульсів до їх тривалості:

Тривалість імпульсу визначається :

Рисунок 8. Форми імпульсів, які використовуються при електроерозійній обробці а - дзвоновидні; б - у вигляді напівхвилі або фрагментів синусоїди; в - прямокутні; г - трапецеїдальні; д – ступінчасті

Тривалість імпульсу залежить від оброблюваного матеріалу і режиму обробки. Так при чорновій обробці . При обробці твердих сплавів тривалість імпульсу приймається на 2-3 порядки нижче.

При ЕЕО використовуються імпульси різної форми(рис. 8), але одної полярності – уніполярні. Форма імпульсів підбирається такою, щоб отримати найбільшу продуктивність обробки електрода-виробу.