Эвакуация продуктов разрушения материала из МЭП

Оглавление

 
Введение

Электроэрозионная обработка (ЭЭО) в машиностроении считается  одним из наиболее прогрессивных  и экономически  выгодных процессов. Кроме того, с помощью ЭЭО можно получать поверхности, которые принципиально невозможно изготовить другими технологическими методами. Этот вид обработки используется для изготовления сложно-профильных деталей из труднообрабатываемых токопроводящих материалов. В ходе процесса обработки на его характер и эффективность оказывают влияние большое количество факторов: физико-технологические характеристики заготовки и инструмента, полярность включения электродов, электрические и временные параметры напряжения и тока, подаваемого в межэлектродный зазор, характеристики рабочей жидкости, параметры окружающий среды.

В связи с изменяющимися условиями  обработки выходные характеристики процесса изменяются в широких пределах. Это касается как качества изделия, так и производительности обработки.

Сущность рассматриваемого метода обработки заключается в использовании явления электрической эрозии материалов для размерного формообразования изделий. На рис. 1 а представлены электроды 1 и 2, промежуток между которыми заполнен диэлектрической жидкостью — рабочей средой 4.

При наложении достаточно высокого напряжения от внешнего источника питания происходит электрический пробой межэлектродного промежутка (МЭП) с образованием канала разряда 3, окруженного газовым пузырем 5. При преобразовании электрической энергии в тепловую в зоне разряда формируется нестационарное поле температур, которое приводит при определенных условиях к образованию на поверхности электродов локальных областей расплавленного материала (рис. 1 б). Ниже расплава 1 в теле материала располагается область термического воздействия 2, которая характеризуется протеканием структурно-фазовых превращений и термомеханических явлений. Часть приповерхностного материала испаряется с поверхности расплава или сублимируется. При удалении расплава из микрованны на поверхности электрода появляется эрозионная лунка, размеры которой зависят в первую очередь от энергии разряда. В результате разряда и сопутствующих явлений рабочая среда обогащается газопаровыми пузырьками 6, твердыми частицами удаленного из лунки материала электрода 7 и продуктами термического разложения рабочей среды 8.

Рисунок 1  Схемы образования единичной лунки (а) и теплового поля у поверхности электрода (б)

Из сказанного следует, что необходимым условием электрической эрозии электродов является электрический пробой межэлектродного промежутка, который осуществляется при достижении некоторого значения напряжения на электродах, называемого напряжением пробоя U_пр. Как будет показано далее, это напряжение сильно зависит от величины МЭП и свойств рабочей среды. Пробой характеризуется образованием канала сплошной проводимости (канала разряда), резким падением напряжения и возрастанием тока. Послепробойные явления обычно подразделяют на две стадии. Искровая стадия разряда длительностью t_ир порядка 10⁷с характеризуется звуковым, световым и тепловым эффектами. По завершении этой стадии канал разряда расширяется, плотность потока мощности снижается, напряжение и ток стабилизируются — начинается стадия дугового разряда, время протекания которой t_др определяется длительностью импульса напряжения, накладываемого на электроды.

При высокой частоте наложения импульсов напряжения единичные лунки многократно воспроизводятся на участке поверхности рассматриваемого электрода, расположенном наиболее близко к противоэлектроду. Суперпозиция таких лунок приводит к удалению некоторого припуска с поверхности электрода, а локализация снимаемого припуска в области малых значений МЭП обуславливает размерный характер формообразования при поступательном сближении электродов

1. Теоретические основы процесса

Электроэрозионная обработка материалов характеризуется совместным или последовательным осуществлением ряда физических процессов, экспериментальное изучение которых представляет значительные трудности из-за их быстротечности, протекания в ограниченном и весьма малом объёме пространства, сложности точного измерения отдельных параметров. К числу основных процессов при ЭЭО относятся :

• энергетические процессы в канале разряда и на поверхности электродов, отражающие энергетический баланс;
• тепловые процессы на электродах;
• гидродинамические процессы в МЭП;
• термомеханические процессы на электродах.

1.1.1 Эвакуация продуктов разрушения материала из МЭП

Частицы расплава, выброшенные в рабочую жидкость затвердевают (пары конденсируются и затвердевают) и вместе с пузырьками газа и продуктами термического разложения жидкости образуют многофазную среду. Форма твердых продуктов материала электродов близка к сферической, а их размеры подчиняются статистическому распределению асимметричного колоколообразного типа с максимумом, смещенным в сторону малых размеров частиц. Замечено, что с ростом энергии разряда средний радиус частиц увеличивается.

Частицы малых размеров образуют суспензию, а относительно крупные частицы оседают на нижнем электроде. Их накопление в МЭП приводит к реализации разрядов между такой частицей и верхним электродом. В результате энергия некоторой части разрядов затрачивается на диспергирование крупных частиц, что приводит к снижению производительности процесса обработки. Накопление мелких частиц и прочих продуктов эрозии приводит к нежелательному изменению свойств рабочей среды и к дестабилизации процесса ЭЭО

В связи со сказанным для нормального протекания процесса ЭЭО необходимо организовать эвакуацию твердых и газообразных продуктов эрозии из МЭП. Такая эвакуация осуществляется естественным и искусственным путями.

В первом случае вынос продуктов эрозии из зоны обработки является следствием гидромеханических процессов, сопутствующих разряду и осуществляется при вытеснении рабочей среды газопаровым пузырем на вто-

рой стадии разряда. Движение рабочей среды зависит от положения канала разряда в МЭП. В случае симметричной схемы обработки течение будет строго радиальным. Установлено, что скорость перемещения границы пузыря  имеет порядок ста метров в секунду. Работа по преодолению сил вязкостного трения и сообщение жидкости кинетической энергии осуществляется за счет некоторой доли энергии разряда. Поток жидкости захватывает и увлекает инородные включения в тем большей степени, чем выше вязкость жидкости, меньше плотность вещества включения и радиус соответствующей частицы . Поэтому наиболее интенсивно выводятся из МЭП мелкие частицы малой массы.

Однако экспериментальные данные указывают на существенное отклонение реальной ситуации от теоретического прогноза. Далеко не все импульсы напряжения приводят к образованию эрозионной лунки на обрабатываемой заготовке. Это вызвано следующими причинами:

• при слишком большом зазоре между электродами или недостаточно высоком напряжении генератора наблюдаются импульсы холостого хода. Пробой промежутка не происходит и ток через него практически не протекает;
• импульсы короткого замыкания характеризуются относительно невысоким напряжением и большим током. Они формируются благодаря контакту электродов через выступы микрорельефа или замыканию электродов через проводящие частицы рабочей среды (металлические продукты эрозии);
• часть разрядов может осуществляться через газовые включения рабочей среды. При этом на поверхности электрода формируются лунки значительно меньшего объема, чем при пробое жидкой фазы;
• как отмечалось ранее, пробой при определенных условиях реализуется между электродом-инструментом и металлическими продуктами эрозии. Энергия разряда затрачивается в основном на диспергирование крупных частиц, а эрозионная лунка на заготовке не образуется или слишком мала.
 

2. Влияние параметров режима на процесс ЭЭО

Анализ показывает, что импульсный разряд в жидком диэлектрике характеризуется значительным диапазоном изменения своих параметров: длительность электрического разряда 10^-6—10^-2 с; амплитудное значение тока 10^-1 —10³ А; плотность тока в канале разряда— до 10⁶ А/мм²; давление в межэлектродном промежутке в начале импульса достигает 10¹ —10² МПа, в конце импульса 10-²—10^-1 МПа; температура в канале разряда достигает 4000—12000 градусов; объемная концентрация мощности достигает 300 кВт/мм³, а энергии — 30000 Дж/мм³; энергия импульса— 1,5×10^-5 —10² Дж; объем газов, выделяющихся в течение одного импульса, составляет— 10 ^-3—10° см³

Расщепляющее действие импульса тока столь велико, что все химические элементы, входящие в состав межэлектродной среды и электродов, дают атомарный спектр. Протекание электроэрозионного разряда сопровождается свечением большой яркости, звуковым эффектом, электромагнитным излучением высокого диапазона частот.

Рассмотрим характер влияния отдельных параметров на основные технологические показатели при электроэрозионной обработке.

Амплитудные значения напряжения и тока в импульсе, а также длительность импульса определяют величину энергии импульса. Форма импульсов зависит от способа их генерирования. Количество энергии, выделяемое при разряде, и распределение ее между анодом, катодом и рабочей средой определяют величину разрушения электродов, а следовательно, и все выходные показатели ЭЭО.

Величина амплитуды пробивного напряжения регламентирует значение зазора между электродами: чем выше напряжение, тем больше величина зазора. После пробоя МЭП и до прекращения разряда напряжение изменяется незначительно, а его величина на данном отрезке времени в основном зависит от материалов электродных пар.

Амплитуда тока определяется нелинейным сопротивлением МЭП, внутренним сопротивлением источника питания и его вольтамперной характеристикой.

В большинстве современных станков для электроэрозионной обработки длительность импульсов является регулируемым параметром, что позволяет легко изменять энергию импульса в зависимости от необходимых требований к обрабатываемой детали. Обычно длительность импульса выбирается в зависимости от требуемой шероховатости обрабатываемой поверхности и допустимой величины.

При ЭЭО обычно оперируют  скважностью импульсов, которая  влияет на величину средней мощности P_Qp и, следовательно, на производительность процесса. Влияние скважности на шероховатость поверхности и величину межэлектродного зазора незначительно. Ее величину выбирают в зависимости от энергии импульса и условий эвакуации продуктов эрозии, как правило, в диапазоне q = 1,5—2. При обработке деталей в условиях затрудненной эвакуации продуктов эрозии скважность необходимо увеличивать.

Величина межэлектродного  зазора при ЭЭО определяется амплитудным напряжением, размерами твердых продуктов эрозии, находящихся в зазоре и свойствами рабочей среды. Оптимальная величина зазора обычно поддерживается автоматически следящей системой станка, при этом величина зазора оценивается путем измерения косвенных параметров U_ср или I_ср.

При неправильной настройке  следящей системы величина зазора может изменяться от минимального значения при коротком замыкании до максимального — при отсутствии пробоя. Как в том, так и в другом случае производительность резко снижается, поэтому скорость рабочей подачи должна быть согласована со скоростью эрозии электродов.

Свойства рабочей  среды, заполняющей межэлектродный зазор, оказывают большое влияние на формирование и развитие канала разряда.

Электрическое сопротивление (диэлектрические свойства) рабочей  среды определяют величину пробивного зазора при заданной амплитуде напряжения и, следовательно, соотношение между энергией, выделяющейся на катоде и аноде. Общая закономерность при этом такова: чем выше диэлектрические свойства среды, тем меньше величина зазора, выше эффект полярности, хуже условия удаления продуктов эрозии из рабочей зоны.

Плотность рабочей жидкости влияет на скорость расширения канала разряда и опосредствованно —  на производительность обработки. Снижение производительности при расширении канала разряда вызывается соответствующим уменьшением плотности потока энергии.

Вязкость рабочей жидкости влияет на стадию удаления продуктов  эрозии из рабочей зоны. Чем ниже вязкость, тем лучше циркуляция, лучше условия удаления мелких частичек, эффективнее охлаждение электродов, тем меньшие зазоры можно использовать.

Так, с уменьшением длительности импульса при неизменных напряжении и токе шероховатость поверхности снижается, но при этом возрастает величина износа рабочего инструмента.

При обработке небольших поверхностей на незначительную глубину эвакуация продуктов эрозии осуществляется главным образом, за счет циркуляции рабочей жидкости под действием парогазовых пузырей, образующихся в зоне действия канала разряда. При обработке больших поверхностей или большой глубине обработки условия эвакуации значительно ухудшаются за счет удлинения трасс эвакуации, поэтому в этих случаях необходимо применять принудительную прокачку. При этом необходимо учитывать возможное влияние скорости движения рабочей жидкости в зазоре на величину износа рабочего инструмента и критическую величину зазора, при которой происходит пробой. С увеличением скорости прокачки резко возрастает износ рабочего инструмента, что связывают с ухудшением условий отложения защитной пленки на его поверхности. Особенно увеличивается износ у медных электродов. Скорость движения рабочей жидкости влияет также на условия формирования предразрядных явлений (токопроводящие мостики или паровая область). Обычно при ЭЭО скорость движения рабочей жидкости не превышает 1 м/с.

Т а б л и ц а 1

Влияние материала ЭИ на производительность и износ инструмента

Производительность (11,8 мм³/мин) и линейный износ (53,5%) при обработке медным ЭИ приняты за единицу.

Для чистовой обработки, осуществляемой на электроискровом режиме, используют инструменты из обычной или пористой меди, латуни. Медь должна быть без примесей, так как даже минимальные включения других элементов резко снижают элетроэрозионные свойства, повышают износ. Для черновых операций, выполняемых на электроимпульсном режиме, в качестве материала электрода-инструмента применяют графитовые и медно-графитовые компазиции. Алюминий, цинковые сплавы. Графитовые сплавы стремятся выбрать мелкозернистой структуры – они обладают повышенной механической прочностью. Из таких материалов можно изготавливать инструменты с острыми углами и тонкими перемычками, эффективных на чистовых операциях. К недостаткам можно отнести повышенную стоимость по сравнению с материалами с более крупными зернами и более низкую производительность процесса. Для чистовых операций применяют дешевые и стойкие графитовые материалы с укрупненным зерном [7].

Электропроводность рабочих жидкостей, применяемых для ЭЭО, лежит в пределах от 10^-18 Ом^-1×см^-1 (керосин) до 2,8×10^-4 Ом^-1×см^-1 (техническая вода). Ее величина существенно влияет на величину межэлектродного зазора. С увеличением электропроводности величина пробивного зазора растет. Так, величина зазора при обработке в воде на 25—60% выше, чем в керосине.

Кроме рабочей подачи, для стабилизации процесса обработки электродам часто сообщаются дополнительные движения: вращение или осцилляция, которые способствует интенсификации удаления продуктов эрозии. Кроме того, при прошивочных операциях дополнительная вибрация электродов создает условия для развития импульсных разрядов с определенным распределением по величине энергии.

Материал электрода-инструмента заметно влияет на величину эрозии. Так, при прошивке щелей 1x10 мм глубиной 3 мм в жаропрочных сплавах с использованием RC генератора (U = 220 В, I_кз = 4 А, С = 10 мкФ) получены результаты, представленные в табл. 1.

Износ электрода

Эрозия при малом  токе снимает мало материала заготовки, тогда как большой ток позволяет  добиться больших скоростей снятия материала.

Однако и износ инструмента  возрастает, особенно при обработке  стали медными электродами. Графитовые электроды ведут себя иначе - износ  до определенного момента растет, затем более или менее стабилизируется.

Короткие импульсы также  приводят к ускоренному износу электрода. И наоборот, износ идет значительно медленней при длинных импульсах. На практике, при черновой обработке стали медным и графитовым инструментом оптимальная величина длительности импульса лежит на отрезке, на одном конце которого длительность импульса с максимальным съемом, а на другом - длительность импульса с минимальной интенсивностью износа инструмента.

Предполагается, что основным фактором, определяющим взаимосвязь материала ЭИ с величиной эрозии электрода-заготовки, является потенциал ионизации материала рабочего электрода. Наибольшее распространение при прошивочных операциях получили рабочие электроды из меди и графита.

Большое влияние на производительность процесса при ЭЭО оказывает площадь обработки. Снятие элементарного слоя, равного глубине единичной лунки, со всей обрабатываемой поверхности осуществляется путем миграции единичного разряда по этой поверхности. Поэтому увеличение площади обработки снижает линейную скорость прошивки. Так, при прошивке небольших отверстий (площадью в несколько квадратных миллиметров) линейная скорость может достигать 3—4 мм/мин, а при больших площадях обработки снижается до 10^-5—10^-6 мм/мин. Отсюда следует, что при изготовлении поверхностей с изменяющейся площадью обработки необходимо корректировать настройку регулятора подачи или осуществлять изменение подачи по определенной программе.

Кроме того, при ЭЭО для определенных величин площадей существуют вполне определенные режимы обработки, при которых достигается максимальная производительность. Отклонение параметров импульсов оптимальных величин приводит к резкому снижению производительности процесса. Это связано с тем, что на процесс эрозии при массовом действии импульсов, оказывают влияние газогидродинамические процессы в межэлектродном промежутке. В реальных условиях в межэлектродном пространстве, часть его заполнена парогазовыми пузырями, которые перемещаются и перемещают рабочую жидкость с взвешенными в ней продуктами эрозии под действием вновь возникающих разрядов. Оптимальное соотношение парогазовой зоны и зоны заполненной рабочей жидкостью в промежутке и определяет производительность обработки при определенных параметрах режима.

Электрическая прочность парогазовой области значительно выше, чем прочность жидкой рабочей среды, поэтому большая часть каналов разрядов между электродами образуется на участках, заполненных жидкой средой. Увеличение энергии импульсов и частоты их следования может привести к тому, что межэлектродный промежуток полностью заполнится парогазовой средой, что приводит к уменьшению величины зазора и возникновению коротких замыканий. Поэтому при обработке глубоких полостей большой площади необходимо производить принудительную прокачку рабочей жидкости через межэлектродный промежуток. В электродах-инструментах для такой обработки необходимо предусматривать конструктивные элементы, способствующие уменьшению трасс эвакуации продуктов эрозии и парогазовых пузырей.

Аналитические зависимости, описывающие взаимосвязи управляемых параметров режима с технологическими характеристиками ЭЭО получены лишь для отдельных частных случаев. Качественно такие взаимосвязи можно проследить используя разработанную в ЭНИМС на основе многочисленных экспериментальных данных обобщенную схему, представленную на рис. 2.

Рисунок 2 Сводные данные о влиянии элетрических и гидравлических параметров на технологические характеристики ЭЭО

3. Производительность ЭЭО

Для сравнительной оценки производительности при ЭЭО используются значения объемной Q, мм³/мин и линейной Q, мм/мин скорости обработки. Последнюю в ряде случаев отожествляют с подачей инструмента и используют для целей нормирования операций. В операциях электроэрозионной вырезки и отрезки для оценки производительности часто используют скорость образования новой поверхности Q_n, мм²/мин.

В общем случае при анализе производительности ЭЭО целесообразно использовать кинетическую модель. Как следует из этой модели, скорость съема материала Q может быть представлена выражением

Q = f{V_фп,V_эм,V_эпо}, (4)

где V_фп, V_эм, V_эпо — соответственно скорость разрушения материала вследствие фазовых переходов, скорость эвакуации материала из поверхностного слоя заготовки в МЭП и скорость эвакуации продуктов обработки из МЭП в объем рабочей жидкости. Таким образом, для увеличения производительности процесса электроэрозионной обработки необходимо увеличивать скорости разрушения обрабатываемого материала в результате обработки и скорость выноса продуктов эрозии в процессе обработки.

В соответствии с кинетической моделью производительности скорость съема материала определяется самой медленной из рассматриваемых стадий разрушения и переноса вещества заготовки. Из сказанного следует, что при определенных условиях функции лимитирующей стадии могут переходить от одной из них к другой. Такая картина наблюдается при анализе площади обработки и мощности, вводимой в зазор на производительность.

При малой площади обработки значительная часть МЭП перекрыта газовыми пузырями от предшествующих разрядов, так как время существования газового пузыря в 5—10 раз больше, чем длительность импульса. Поэтому, как уже упоминалось ранее, часть импульсов генератора не вызывает эрозии, следовательно, производительность невысока.

Если увеличивать площадь обрабатываемой поверхности, то при прочих равных условиях скорость съема металла до определенного момента будет возрастать, но в дальнейшем произойдет ее снижение. Это объясняется удлинением трассы эвакуации и ухудшением условий удаления продуктов обработки из межэлектродного промежутка. Все большее число импульсов генератора не будет вызывать эрозии из-за накопления газов и металлических частиц в пространстве между электродами. Функции лимитирующей стадии переходят к стадии вывода продуктов обработки из МЭП.

Увеличение мощности энергопотока при постоянной площади обработки приводит к аналогичному результату. Действительно, количество продуктов обработки, генерируемых в МЭП, зависит от мощности, реализуемой в межэлектродном промежутке. При малой мощности количество расплавленного металла невелико, с ростом подводимой мощности оно возрастает, но при этом увеличивается и количество продуктов обработки, которые необходимо вывести из МЭП. Из сказанного следует необходимость правильного выбора сочетания площади обрабатываемой поверхности и мощности. Такой выбор выполняют с помощью пространственных диаграмм в координатах «сила тока — площадь обработки — производительность», прилагаемых в руководствах к станкам (рис 3).

Данные о влиянии значения длительности импульса и материала электрода-инструмента на производительность приведены на рис. 4.

Рисунок 3  Пространственная диаграмма зависимости параметров; средняя сила тока – I_ср; площадь – S; производительность – Q (при ЭЭО с f=400Гц)

а                                                            б

Рисунок 4  Зависимость производительности  Q от длительности импульса

б -  ЭИ из графита (1 – I_ср=42 А, 2 – I_ср=21 А, 3 – I_ср=7 А, 4 – I_ср=3,5 А).

Для повышения производительности широко применяют многоконтурную и многоэлектродную обработку для изготовления одной или нескольких деталей. При оценке производительности в случае применения таких схем обработки необходимо учитывать взаимное влияние контуров, которое проявляется через вероятность стабильной работы станка и увеличение площади обработки при многоэлектродной обработке .

4. Качество поверхностного слоя после ЭЭО

Показатели качества поверхностного слоя, формируемые при ЭЭО, определяются механизмом съема материала. Как говорилось ранее, в основе такого механизма лежит воздействие интенсивных тепловых потоков на поверхность заготовки, приводящее к нагреву приповерхностной области до высоких температур и структурно-фазовым изменениям в этой области. Снимаемый припуск формируется в результате суперпозиции единичных лунок, что обуславливает специфический микрорельеф поверхности обработанных изделий [саушкин, немилов].

Доказано, что свойства поверхностного слоя существенно изменяются в результате ЭЭО: в нем появляются зоны, материал в которых находится в различных структурно-фазовых состояниях. Перечень таких зон не определен: в одних работах поверхностный слой делят на белый слой и зону термического влияния, в других — в нем выделяют несколько зон с различной структурой, в третьих— отмечают, что он состоит из оплавленного слоя, зоны подвергшейся химическому воздействию, зон микро-и макродеформаций. При определенных условиях наблюдается покрытие заготовки тонким слоем материала электрода инструмента и продуктами разложения рабочей жидкости, в частности углеродом. В общем случае можно говорить об условном разделении поверхностного слоя на следующие зоны:

• зона насыщения элементами рабочей жидкости;
• зона отложения материала электрода;

—так называемый белый слой, образованный при застывании расплавленного материала заготовки;

• зона термического влияния;
• зона пластической деформации.

Между выделенными зонами, как правило, нет четкой границы, и в большинстве случаев они перекрывают друг друга.

Из сказанного следует, что при ЭЭО формируется поверхностный слой глубиной h_т с измененными по отношению к сердцевине материала свойствами. Поверхность этого слоя характеризуется специфическим микрорельефом, в нем образуются остаточные напряжения, распределенные определенным образом по глубине, изменяются микротвердость и структурно фазовый состав материала. Свойства этого слоя сильно зависят от параметров режима обработки, как это следует из данных табл. 2.

Т а б л и ц а 2

Влияние режима ЭЭО на показатели качества поверхностного слоя при обработке стали 45

Рассмотрим подробнее формирование показателей качества поверхностного слоя при ЭЭО и влияние на них параметров режима.

Шероховатость поверхности представляет собой результат наложения друг на друга эрозионных лунок, возникающих под действием единичных разрядов.

Влияние обрабатываемого материала на шероховатость поверхности проявляется следующим образом: чем выше электроэрозионная обрабатываемость, тем большую высоту микронеровностей при прочих равных условиях имеет обработанная поверхность.

Т а б л и ц а 4

Зависимость шероховатости поверхности от параметров режима обработки