Электроэрозионная обработка в машиностроении

 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

                                                 

                                             Содержание

Введение……………………………………………………………………3

1. Общая характеристика процесса электроэрозионной обработки……5

2. Разновидности электроэрозионной обработки......................................9

3. Область применения (ЭЭО)....................................................................17

Заключение……………………………………………………....………...21

Список литературы……………………………………...……………...…23 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

                                           

                                               Введение

     Еще в конце 18в. английским ученым Дж. Пристли было описано явление эрозии металлов под действием электрического тока. Было замечено, что при разрыве электрической цепи в месте разрыва возникает искра или более продолжительная электрическая дуга. Причем искра или дуга оказывает сильное разрушительное воздействие на контакты разрываемой цепи, называемое эрозией. Электрической эрозии подвержены контакты реле, выключателей, рубильников и других подобных устройств. Много исследований было посвящено устранению или хотя бы уменьшению такого разрушения контактов.

     Над этой проблемой в годы Великой  Отечественной Войны работали советские ученые Б.Р. Лазаренко и Н.И. Лазаренко. Поместив, электроды в жидкий диэлектрик и размыкая электрическую цепь, ученые заметили, что жидкость мутнела уже после первых разрядов между контактами. Они установили: это происходит потому, что в жидкости появляются мельчайшие металлические шарики, которые возникают вследствие электрической эрозии электродов. Ученые решили усилить эффект разрушения и попробовали применить электрические разряды для равномерного удаления металла. С этой целью они поместили электроды (инструмент и заготовку) в жидкий диэлектрик, который охлаждал расплавленные частицы металла и не позволял им оседать на противолежащий электрод. В качестве генератора импульсов использовалась батарея конденсаторов, заряжаемых от источника постоянного тока; время зарядки конденсаторов регулировали реостатом. Так появилась первая в мире электроэрозионная установка. Электрод-инструмент перемещали к заготовке. По мере их сближения возрастала напряженность поля в межэлектродном промежутке (МЭП). При достижении определенной напряженности поля на участке с минимальным расстоянием между поверхностями электродов, измеряемым по перпендикуляру к обрабатываемой поверхности и называемым минимальным межэлектродным зазором, возникал электрический разряд (протекал импульс) тока, под действием которого происходило разрушение участка заготовки. Продукты обработки попадали в диэлектрическую жидкость, где охлаждались, не достигая электрода-инструмента, и затем осаждались на дно ванны. Через некоторое время электрод-инструмент прошил пластину, Причем контур отверстия точно соответствовал профилю инструмента.

     Так, явление, считавшееся вредным, было применено для размерной обработки  материалов. Изобретение электроэрозионной  обработки (ЭЭО) имело выдающееся значение. К традиционным способам формообразования (резанию, литью, обработки давлением) прибавился совершенно новый, в котором непосредственно использовались электрические процессы.

     Первоначально для осуществления ЭЭО применялись  исключительно искровые разряды, создаваемые конденсатором в так называемом RC-генераторе. Поэтому новый процесс в то время называли электроискровой обработкой.

     В начале 50-х годов были разработаны специальные генераторы импульсов, благодаря которым обработку можно было проводить также на более продолжительных - искро-дуговых и дуговых разрядах. Процесс в новых условиях стали назвать электроимпульсной обработкой.

     Поскольку для формообразования во всех случаях  применяют одно и то же явление - электрическую эрозию, в настоящее время используют определения электроискровой режим (ЭЭО) и электроимпульсный режим (ЭЭО). 
 
 
 
 
 
 
 
 

     1. Общая характеристика процесса электроэрозионной обработки. 

                   Описание процесса электроэрозионной обработки

  Снятие материала с поверхности обрабатываемой детали при      электроэрозионной обработке осуществляется импульсами тока, которые формируются специальным генератором.

   Потенциальная энергия импульса образуется за счёт напряжения, приложенного к электродам деталь-инструмент, размещённых в рабочей жидкости (например, в керосине). Между электродами всегда присутствует межэлектродный зазор. Потенциальная энергия импульса накапливается в конденсаторе, который периодически разряжается, образуя электрический

искровой  или дуговой разряд между инструментом и деталью, как показано на рисунке 1.

ЭИ – электрод-инструмент; ЭД – электрод-деталь; МЭЗ – межэлектродный зазор

Рисунок 1 – Схема, поясняющая принцип электроэрозионной обработки изделий. 

    Параметры искрового или дугового электрического разряда задаются приложенным напряжением, длительностью импульса, межэлектродным зазором и состоянием рабочей жидкости. Под действием напряжения, приложенного к электродам, на поверхности инструмента накапливается электрический заряд (рисунок 1, а и б). Под действием заряда в зазоре между инструментом и деталью образуется стример – электропроводный канал (рисунок 1,в), появление которого определяет начало образования сквозной проводимости в зазоре между электродами. Частицы рабочей жидкости ионизируются под действием внешнего напряжения и устремляются от поверхности детали в сторону инструмента (рисунок 1, г). Происходит формирование канала сквозной электропроводности, создаётся электрическое поле, обеспечивающее возможность прохождения разряда по наименьшему расстоянию между поверхностями инструмента и детали. Как только стример достигнет поверхности обрабатываемой детали и, соответственно, завершится формирование электропроводного канала, накопленный конденсатором заряд разрядится на поверхности детали (рисунок 1, д). Под действием энергия электрического разряда произойдёт вырывание частиц материала с поверхности обрабатываемой детали в области, охватываемой стримером (рисунок 1, е).

     В результате работы импульса тока энергия импульса, локально приложенная к поверхности детали, приводит к нагреву участка поверхности материала до температуры, превосходящей температуру его плавления. В области стримера происходит расплавление металла, и под действием электродинамических сил капля расплавленного металла выбрасывается в пространство межэлектродного зазора (рисунок 1, ж). Поток рабочей жидкости удаляет из зазора образовавшийся шлам (застывшие частицы металла обрабатываемой детали).

   В процессе вырывания частиц металла и термодинамических явлений образуется атомарный спектр всех веществ, участвующих в процессе электроэрозионной обработки (рабочая жидкость, инструмент и деталь). На поверхности детали появляется лунка, форма которой соответствует конфигурации инструмента и направлению его движения (рисунок 1, и).

   После окончания импульса напряжение между электродами отсутствует, и происходит деионизация рабочей жидкости. Последующий импульс напряжения вновь ионизирует жидкость и создаёт предпосылки для следующего электрического разряда, под действием которого лунка на поверхности обрабатываемой детали увеличивается до заданных размеров.

   Многочисленными исследованиями установлено, что наибольшая производительность при электроэрозионной обработке достигается при поддержании оптимального значения межэлектродного зазора, что определяется качеством управления приводом электроэрозионного станка и надёжностью системы его программного управления.

              

                                     Рабочая среда

    Рабочие жидкости (РЖ) должны удовлетворять следующим требованиям:

     – обеспечение высоких технологических  показателей ЭЭО;

     – термическая стабильность физико-химических свойств при воздействии электрических разрядов с параметрами, соответствующими применяемым при электроэрозионной обработке;

     – низкая коррозионная активность к материалам ЭИ и обрабатываемой заготовки;

     – высокая температура вспышки  и низкая испаряемость;

     – хорошая фильтруемость;

     – отсутствие запаха и низкая токсичность.

     При электроэрозионной обработке применение получили низкомолекулярные углеводородистые жидкости различной вязкости; вода и в незначительной степени кремнийорганические жидкости, а также водные растворы двухатомных спиртов.

     Для каждого вида ЭЭО применяют рабочие  жидкости, обеспечивающие оптимальный режим обработки. На черновых режимах рекомендуется применять рабочие жидкости с вязкостью (смесь керосин-масло индустриальное), а на чистовых (керосин, сырье углеводородное).

     Влияние на производительность свойств рабочей  среды. В зависимости от свойств  рабочей среды изменяются доля полезного  использования энергии импульса, его предельная мощность. Для каждого вида обработки применяют оптимальные диэлектрические среды. Так, при электроэрозионном процессе с малой энергией импульсов высокую производительность обеспечивает дистиллированная и техническая вода, керосин; при грубых режимах на электроимпульсном режиме применяют тяжелые фракции нефти (масла, дизельные топлива и др.) с высокой температурой вспышки (до 450 К).

     В процессе обработки жидкая рабочая  среда загрязняется, из-за чего снижается  производительность. Загрязненность оценивают в процентном отношении массы продуктов обработки к массе жидкости. При загрязненности 4..5 % для черновых и 2..3 % для чистовых процессов производительность остается практически одинаковой по сравнению с чистой средой. Дальнейшее возрастание содержания продуктов обработки, особенно на чистовых режимах приводит к снижению числа рабочих импульсов и производительности.

     В процессе остывания частицы металла  вызывают испарение части жидкости, изменение ее вязкости и зольности. Для поддержания высокой производительности необходимо периодически заменять рабочую среду.

     Для повышения производительности на обрабатываемой площади может быть параллельно  размещено несколько электродов-инструментов. Если они подключены к одному генератору импульсов, то такая обработка называется многоэлектродной. При подключении каждого электрода к своему источнику энергии обработку называют многоконтурной.

                
 
 
 
 
 
 
 
 
 

                2. Разновидности электроэрозионной обработки.

     В зависимости от параметров импульсов и используемого оборудования ЭЭО подразделяют на электроискровую, электроимпульсную, высокочастотную и электроконтактную. 

                                Электроискровая обработка

   Была предложена советскими учёными H. И. и Б.Р. Лазаренко в 1943. 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.

     При электроискровой обработке используют прямую полярность, т. е. ЭИ подсоединяют к катоду, а ЭЗ – к аноду. Генератор импульсов настраивают на соответствующие режимы обработки. Продолжительность импульса составляет 20…200 мкс. Величина энергии импульса регулируется подбором емкости конденсаторов.

     При увеличении емкости конденсатора накапливаемый  запас энергии возрастает и, следовательно, повышается производительность процесса. В зависимости от количества энергии, расходуемой в импульсе, режим  обработки делят на жесткий или  средний (для предварительной обработки) и мягкий или особо мягкий (отделочной обработки). Мягкий режим обработки позволяет получать размеры с точностью до 0,002 мм при шероховатости поверхности Ra 0,63…0,16 мкм.

     Обработку ведут в ваннах заполненных диэлектрической жидкостью. Жидкость исключает нагрев электродов (инструмента и заготовки), охлаждает продукты разрушения, уменьшает боковые разряды между инструментом и заготовкой, что повышает точность обработки.

     Для обеспечения непрерывности процесса обработки необходимо, чтобы зазор между инструментом – электродом и заготовкой был постоянным. Для этого электроискровые станки снабжают следящий системой и механизмом автоматической подачи инструментов. Инструменты – электроды изготовляют из меди, латуни, меднографитовых и других материалов.

     В эрозионных станках используют различные  ГИ электрических разрядов: RC (резистор – емкость); RLC (L – индуктивность); LC; ламповые генераторы. В промышленности применяют широкодиапозонные транзисторные  ГИ. Эти генераторы потребляют мощность 4…18 кВт при силе тока 16…125 А. Эффективность обработки составляет 75…1900 мм ³/мин при шероховатости обработанной поверхности 4…0,2 мкм.

     Электроискровым методом обрабатывают практически  все токопроводящие материалы, но эффект эрозии при одних и тех же параметрах электрических импульсов различен. Зависимость интенсивности эрозии от свойств материалов называют электроэрозионной обрабатываемостью. Если принять электроэрозионную обрабатываемость стали за единицу, то для других металлов ее можно представить следующих относительных единицах: твердые сплавы – 0,5; титан – 0,6; никель – 0,8; медь – 1,1; латунь – 1,6; алюминий – 4; магний – 6.

     Электроискровым методом целесообразно обрабатывать твердые сплавы, труднообрабатываемые материалы и сплавы, тантал, молибден и другие материалы.

     Электроискровым методом получают сквозные отверстия  любой формы поперечного сечения, глухие отверстия и полости, фасонные отверстия и полости по способу  терепонации, отверстия с криволинейными осями; вырезают заготовки из листа, выполняют плоское, круглое и внутреннее шлифование, разрезают заготовки, клеймят детали.

     Электроискровую обработку применяют для изготовления деталей штампов и пресс-форм, фильер, режущего инструмента, деталей  топливной аппаратуры двигатели  внутреннего сгорания, сеток и сит.

     Электроискровую обработку применяют также для  упрочнения поверхностного слоя металлов деталей машин, пресс-форм, режущего инструмента. Упрочнение состоит в  том, что на поверхность изделий  наносят тонкий слой какого-либо металла, сплава или композиционного материала. Подобные покрытия повышают твердость, износостойкость, жаростойкость, эрозионную стойкость и другие характеристики изделий.

     На  ограниченных участках особо нагруженной  поверхности детали можно проводить  сложнейшие микрометаллургические процессы.

     Из  электроэрозионных станков с  системами ЧПУ наибольшее распространение  в промышленности имеют координатнопрошивочные, копировально – вырезные и универсальные копировально – прошивочные.

     Координатно – прошивочные станки работают по позиционной системе ЧПУ, что позволяет автоматически по заданной программе устанавливать (позиционировать) заготовку относительно инструмента в необходимое положение. Обработку ведут профилированным инструментом. Во время обработки заготовка перемещений не имеет.

     Копировально  – вырезные станки работают по контурной  системе ЧПУ. Обработку ведут  непрофилированным инструментом –  бесконечным электродом – проволокой. Применяют медную, латунную, вольфрамовою, молибденовую проволоку диаметром 0,02…0,3 мм. Программное устройство станков обспечивают не только регулирование движений формообразования, но и регулирование технологического режима – напряжения на искровом промежутке. Особенность процесса вырезки состоит в наличии переменной эквидистанты, зависящей от ширины прорезаемого паза. Следовательно, устройство ЧПУ станков должны обеспечивать коррекцию эквидистанты. В станках такого типа системы ЧПУ обеспечивают управление по четырем и более координатным осям.

     В универсальных копировально-прошивочных электроэрозионных станках используют две системы ЧПУ: систему адаптивного управления с предварительным набором координат и режимов по программе и систему адаптивно – программного управления по трем координатным осям. В станках этого типа системы ЧПУ обеспечивают планетарное движение заготовки в следующем режиме, автоматическое позиционирование заготовки и автоматическую смену инструмента. Электроискровая обработка широко применяется для прорезки пазов, вырезки по контуру, для изготовления штампов, пресс-форм, фильер, режущих инструментов и других. Хорошо обрабатываются твердые сплавы, тантал, вольфрам, молибден и другие. К недостаткам процесса относят: сравнительно низкую производительность обработки, большой износ электродов и образование на деталях дефектного слоя толщиной 0,05…0,5 мм. 

                                    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 (4000–5000 °С), 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.

     При электроимпульсной обработке используют электрические импульсы большей  длительности. Большие мощности импульсов, получаемых от электронных генераторов, обеспечивают высокую производительность процесса обработки. Применение генераторов и гтафитовых электродов, а также обработка на обратной полярности позволили уменьшить разрушение электродов.

     Электроимпульсную обработку наиболее целесообразно применять при предварительной обработке штампов, турбинных лопаток, твердосплавных деталей, фасонных отверстий в деталях из корозионно-стойких сталей и жаропрочных сплавов. В станках для электроимпульсной обработке широко используют различные системы программного управления. Высокоточная конструкция станков с чувствительными сервосистемами позволяет изготовлять детали сложной геометрической формы с высокой точностью.

     Приборы автоматического переключения на разные подачу и глубину резания, управляемые  системой ЧПУ, обеспечивают оптимальное использование электроэрозионных станков, так как в зависимости от хода процесса обработки режим работы согласуется с технологическими требованиями к деталям. Применяемые адаптивные системы программного управления позволяют своевременно определять отклонения в ходе обработки и устранить их. Изменения параметров процесса обработки вносятся в устройства, формирующее сигнал коррекции что позволяет с помощью простых электродов изготовлять детали сложных геометрических форм, в частности полостей штампов.

     Качество  поверхности зависит от режимов  обработки. Грубый режим приводит к  получению высоты неровностей Ra=50…6,3 мкм и изменению поверхностного слоя глубиной 0,2…0,4 мм. При чистовом режиме достигается шероховатость поверхности Ra 6,3…1,25 мкм. Обработка ведется в жидком диэлектрике, инструмент автоматически подается в направлении обработки, что обеспечивает постоянство зазора. Для обработки используются специальные станки разных моделей с машинными генераторами, высокочастотными установками, электронными генераторами и т. д. Высокоточные станки с различными системами программного управления позволяют изготовлять детали со сложными формами.

     Метод считается целесообразным для предварительной  обработки фасонных поверхностей штампов, лопаток, инструментов. Применяется он и для обработки твердых, нержавеющих и жаропрочных сплавов. 

                                       Высокочастотная обработка

        Электроискровую обработку применяют для повышения точности и уменьшение шероховатости поверхностей, обработанных электроэрозионным методом. Метод основан на использовании электрических импульсов малой мощности при частоте 100…150 кГц.

     При высокочастотной электроискровой  обработке конденсатор разрежается  при замыкании первичной цепи импульсного трансформатора прерывателем, вакуумной лампой или тиратроном. Инструмент-электрод и заготовка включены во вторичную цепь трансформатора, что исключает возникновение дугового разряда.

     Производительность  метода в 30…50 раз выше, чем при  электроискровом методе, при значительном увеличении точности и уменьшении шероховатости поверхности. Износ инструмента незначителен.  
   Высокочастотный электроискровой метод применяют при обработки заготовок из твердых сплавов, так как он исключает структурные изменения и образование микротрещин в поверхностном слое материала обрабатываемой заготовки.

                    

                         Электроконтактная обработка.

     Основана  на локальном нагреве заготовки  в месте контакта с электродом-инструментом и удалении размягченного или даже расплавленного металла из зоны обработки механическим способом: относительным движением заготовки и инструмента. Источником теплоты в зоне обработки служат импульсные дуговые разряды. Электроконтактную обработку оплавлением рекомендуют для обработки крупных деталей из углеродистых и легированных сталей, чугуна, цветных сплавов, тугоплавких и специальных сплавов.

     Метод применяют при зачистке отливок  от заливов, от резке литниковых систем и прибылей, зачистке проката из спецсплавов, черновом круглом наружном, внутреннем и плоском шлифовании корпусных деталей машин из труднообрабатываемых сплавов, шлифовании с одновременной поверхностной закалкой деталей из углеродистых сталей. Метод обработки не обеспечивает высокой точности и качества поверхности, но дает высокую производительность съема металла вследствие использования больших электрических мощностей.

     Электроконтактная обработка основана на введении в  зону механической обработки электрической  энергии – возбуждении мощной дуги переменного или постоянного тока между, например, диском, служащим для удаления материала из зоны обработки, и изделием. Преимущества метода – высокая производительность (до 10⁶мм³/мин) на грубых режимах, простота инструмента, работа при относительно небольших напряжениях, низкие удельные давления инструмента – 30–50 кн/м² (0,3 – 0,5 кгс/см²) и, как следствие, возможность использования для обработки твёрдых материалов инструмента, изготовленного из относительно мягких материалов. К недостаткам относят: большую шероховатость обработанной поверхности, тепловые воздействия на металл при жёстких режимах.

     Электроконтактная обработка не обеспечивает высокой  точности и качества поверхности (шероховатость  поверхности около50 мкм), но приводит к высокой производительности вследствие значительного съема металла. Применяется она для резки заготовок, обдирки отливок, заточки инструмента, плоского шлифования, прошивки отверстий, очистки от окалины, обработки криволинейных поверхностей т. д. Рекомендуется для обработки углеродистых и легированных сталей, чугуна, цветных сплавов, тугоплавких, труднообрабатываемых и специальных сплавов.

     Разновидностью  электроконтактной обработки является электроабразивная обработка –  обработка абразивным инструментом (в т. ч. алмазно-абразивным), изготовленным на основе проводящих материалов. Введение в зону обработки электрической энергии значительно сокращает износ инструмента. 
 
 

 

                               3.Область применения (ЭЭО)

Типовые операции электроэрозионной обработки. По технологическим признакам устанавливаются следующие виды ЭЭО:

     1. Прошивание отверстий: При ЭЭО прошивают отверстия на глубину до 20 диаметров с использованием стержневого ЭИ и до 40 диаметров – трубчатого ЭИ. Глубина прошиваемого отверстия может быть значительно увеличена, если вращать ЭИ, или обрабатываемую поверхность, или и то и другое с одновременной прокачкой РЖ через ЭИ или с отсосом ее из зоны обработки. Скорость электроэрозионного прошивания (ЭЭПр) достигает 2–4 мм/мин.