Электроэрозионная размерная обработка

(ЭЭО)

Электроэрозионная обработка основана на использовании явления элек­трической эрозии — разрушения материала электродов при электрическом пробое межэлектродного промежутка.

Рис. 32.1. Условная схема процесса ЭЭО:

1 — -мектрод-инструмент; 2 — обрабатываемая поверхность; 3 — генератор элек­трических импульсов; 4 — электрический разряд; 5 — газовый пузырь; 6 — продукты эрозии (шлам); 7 — эрозионная лунка; 8 — рабочая жидкость; 9 — изолятор

Схемы процессов ЭЭО. Размерная ЭЭО заключается в изменении фор­мы, размеров, шероховатости и свойств поверхности заготовки путем съема материала припуска за счет управляемого процесса электрической эрозии.

Рл ■

На рис. 32.1 приведена условная схема процесса ЭЭО. Изолированные электрод-инструмент / (ЭИ) и обрабатываемая заготовка 2 погружены в рабочую диэлектрическую жидкость и соединены с генератором электрических им­пульсов 3. Между электродом и деталью электрическим пробоем межэлек­тродного промежутка (МЭП) возбуждается импульсный разряд 4, который мгновенно нагревает микроучастки электродов и контактирующую с ними жидкость. В результате в зоне разряда формируется газовый пузырь 5. В конце каждого импульса происходит охлопывание пузыря. При этом продук­ты эрозии — шлам — в виде гранул 6 удаляются из МЭП рабочей жидкостью 8, а на поверхности электрода-заготовки образуется эрозионная лунка 7. За вре­мя паузы происходит восстановление электрической прочности МЭП до ис­ходного значения. Затем, при подаче следующего импульса напряжения, весь процесс повторяется, но пробой происходит уже там, где напряжен­ность примет максимальное значение, — в зазоре между наиболее близкими микровыступами поверхности заготовки и инструмента. Процесс эрозии за­готовки продолжается до полного удале­ния металла, находящегося на расстоянии электрического пробоя (0,01—0,15 мм).

Для обеспечения непрерывности процесса съема припуска величина МЭП должна оставаться неизменной, для чего _р„_{с 32}.2. Профиль поверхности, скорость главного движения ЭИ в обработанной ЭЭО

Рис. 32.3. Кинематические схемы процессов ЭЭО:

а — копирование; б — прошивание полостей с прямой осью; в — прошивание отверстий с криволинейной осью; г — отрезка вращающимся диском; д — отрез­ка проволокой (лентой); е — шлифование; 1 — обрабатываемая деталь; 2 — ин­струмент; 3 — подача рабочей жидкости

направлении обработки Д. должна соответствовать скорости эрозии элек­тродов. Обработанная поверхность представляет собой поверхность, образо­ванную множеством лунок (рис. 32.2) глубиной h„ и диаметром £>„.

При многообразии кинематических схем ЭЭО все схемы условно можно распределить на три группы.

1. Получение требуемой формы и точности поверхности заготовки ко­пированием формы профильного инструмента, представляющего собой об­ратное отображение формы детали. По этой схеме электрод-инструмент вне­дряется в заготовку при поступательном перемещении по мере электроэро­зии металла заготовки. Эта схема наиболее широко применяется в практике ЭЭО. Операции, выполняемые по первой схеме, называются копировально-прошивочными (рис. 32.3, а, б, в).

2. Заданная форма детали обеспечивается взаимным перемещением за­готовки и непрофилированного инструмента. По этой технологической схе­ме ЭЭО /производят с использованием в качестве электрода-инструмента проволоку или металлический вращающийся диск (рис. 32.3, г, д).

3. Получение требуемой формы обеспечивается взаимным перемещением профилированного инструмента и заготовки. Эти операции получили наимень­шее распространение. Они используются для правки фасонных электроалмазных кругов, изготовления фигурных канавок и шлифования (рис. 32.3, е).

Физико-химические основы ЭЭО. Сущность ЭЭО составляют процес­сы и явления, ответственные за электроэрозию электродов. Это прежде всего процессы нагрева, плавления и удаления металла из лунки; образования час­тиц — продуктов эрозии; захват и эвакуация частиц из зазора.

Применяемый при ЭЭО разряд возбуждается электрическим пробоем. Элек­трический пробой при подаче импульса напряжения 50—250 В происходит ме­жду микровыступом электрода-заготовки и обработанной поверхностью элек­трода-инструмента. В результате при ЭЭО разрушаются именно выступы, вы­равнивая поверхность заготовки по всему межэлектродному зазору. В случае возбуждения разряда замыканием МЭП гранулами шлама процесс ЭЭО наруша­ется, изменяются параметры режима, снижая точность и качество поверхности.

Интенсивность эрозии зависит от вида возбуждаемого разряда. Началь­ная (искровая) стадия, длящаяся ~10~⁹—10~⁷ с, отличается наибольшей удельной мощностью, так как диаметр канала в начальной стадии весьма мал и концентрация энергии на обрабатываемых микроучастках составляет ~10⁷—10⁸ Вт/см². Процесс эрозии металла электродов осуществляется испа­рением. В конце искровой стадии под действием высоких температуры и давления в канале разряда рабочая жидкость приходит в движение и канал расширяется со сверхзвуковой скоростью. При увеличении длительности импульса в результате роста сечения канала удельная мощность разряда снижается и он переходит в дуговую стадию. Сравнительно высокое значе­ние удельной мощности дуговой формы разряда, ~10⁶—10⁴ Вт/см², при дли­тельности, соответственно, ~10~—10"¹ с при ЭЭО, объясняется охлаждаю­щим воздействием жидкого диэлектрика. Известно, что принудительное ох­лаждение столба дуги является эффективным способом повышения концен­трации электрического дугового разряда. Поэтому высокие значения эрозии при ЭЭО обеспечивает и дуговая форма разряда. В качестве источников пи­тания при ЭЭО используют генераторы импульсов.

По форме импульсы подразделяются на: знакопеременные; асиммет­ричные; униполярные синусоидальные; униполярные прямоугольные; уни­полярные гребенчатые.

По схеме подключения электродов различают обработку на прямой по­лярности, когда инструмент подключен к «-» источника, и на обратной по­лярности, когда к «-» источника подключена заготовка.

Используемые форма импульса и полярность сильно сказываются на ха­рактере разрушения электродов. Симметричные знакопеременные импульсы вызывают одинаковую эрозию электродов из одного материала. Униполяр­ный импульс (импульс одной полярности) обеспечивает преимущественное разрушение одного из электродов. Обычно наибольшая эрозия заготовки отмечается при воздействии униполярного импульса прямой полярности. На практике широко используются и знакопеременные асимметричные импуль­сы. В этом случае различают два полупериода процесса — рабочий на пря-

мой полярности с максимальным током и холостой на обратной полярновти с минимальным током, что обеспечивает высокую эрозию заготовки и не­значительную эрозию инструмента.

Обрабатываемость различных материалов при электроэрозион­ной обработке оценивается коэффициентом обрабатываемости. Числовое значение коэффициента обрабатываемости равно, как и при обработке реза­нием, отношению экспериментально установленной скорости съема данного материала к скорости съема стали 45 при тех же параметрах ЭЭО. Коэффи­циент обрабатываемости стали 45 принимается за единицу, тогда коэффици­ент обрабатываемости составляет: для жаропрочных и нержавеющих сталей — 1,4; для алюминия — 2,4; для меди — 0,9; для титана — 0,6; для вольфрама — 0,5; для твердых сплавов — 0,3.

Газогидродинамические и гидравлические процессы в МЭП ответственны за образование, захват, эвакуацию частиц из межэ­лектродного зазора и восстановление электрической прочности МЭП после разряда. Рассмотрим последовательность и физику происходящих процессов.

В результате теплового контакта плазмы разряда с жидкостью происхо­дит ее разогрев и испарение с образованием газового пузыря. Давление газа в пузыре достигает (10—100)* 10⁵ Па, по окончании импульса разряда оно резко падает до значений ниже атмосферного. Резкое падение давления над расплавленным перегретым металлом ведет к выбросу его из лунки в виде капель жидкой фазы при температурах ниже температуры кипения металла. Жидкие микропорции металла в виде капель выбрасываются во внутреннюю полость схлопывающегося пузыря на его стенки. В результате соприкосно­вения с рабочей жидкостью продукты эрозии застывают в виде гранул шаро­образной формы. При схлопывании пузыря продукты эрозии выталкиваются из межэлектродного зазора ударными волнами вместе с окружающей их жидкостью. Этот процесс происходит во время пауз между электрическими импульсами. В этот момент межэлектродный зазор должен полностью очи­ститься от продуктов эрозии электродов, а рабочая жидкость — полностью восстановить электрическую прочность, обеспечивающую постоянство на­пряжения пробоя и зазора при обработке.

При работе на форсированных режимах (высокая мощность и длитель­ность импульса) происходит разогрев электродов и выбрасываемый из лунки металл налипает на электрод-инструмент, образуя наросты. Образование нароста нарушает точность и качество обработанной поверхности. С тем чтобы устранить это явление, применяется искусственная прокачка электро­литов через МЭП. Прокачку проводят с помощью насосов, расход жидкости при прокачке входит в основные технологические параметры процесса обработки.

Сопутствующим явлением при ЭЭО является разложение рабочей жид­кости под действием высоких температур — пиролиз. В жидких углеводоро­дах, имеющих температуру кипения 150—200 °С, в зоне дугового разряда

образуются пары состава СдН^. При соприкосновении паров с нагретыми участками электродов происходит разложение паров с осаждением на по­верхности углерода и выделением водорода. Взаимодействуя с поверхностя­ми электродов, углерод и водород могут оказывать как положительное, так и отрицательное влияние. Так, взаимодействие с обрабатываемой поверхно­стью детали ведет к изменению химического состава поверхностного слоя, что в большинстве случаев нежелательно. В то же время взаимодействие с поверхностью инструмента ведет к образованию на его поверхности слоя пирографита, компенсирующего его эрозию в процессе обработки. Это явле­ние используется для повышения стойкости инструмента.

Электроды-инструменты (ЭИ) и рабочие жидкости (РЖ). Профи­лированный ЭИ задает конфигурацию обрабатываемой поверхности детали. Материал электрода-инструмента должен обладать высокой эрози­онной стойкостью, прочностью, малым омическим сопротивлением и высо­кой обрабатываемостью методами резания.

Эрозионный износ электрода при ЭЭО не является локальным, как при механической обработке, а охватывает всю рабочую поверхность и оценива­ется отношением израсходованного объема электрода к объему удаленного металла.

В качестве материала для электродов при обработке высокоуглероди­стых инструментальных сталей и жаропрочных сплавов на никелевой основе рекомендуются графит, медь и композиционный материал МНБ-3 (97% ме­ди и 3% нитрида бора). Наименьшему износу подвержен медный электрод, так как его электроэрозия компенсируется углеродом, откладывающимся в результате пиролиза углесодержащих рабочих жидкостей. Для удаления шлама из МЭП в электроде изготавливается необходимое число отверстий (см. рис. 32.3, а, б). Удаление осуществляется прокачкой или отсосом рабо­чей жидкости из зазора.

В качестве непрофилированного инструмента при ЭЭО наибольшее распространение получили медные или латунные диски и тонкая проволока диаметром 0,02—0,3 мм из меди, латуни, вольфрама и молибдена. Для обеспечения точности обработки и снижения износа проволока-электрод в процессе обработки перематывается с одной бобины на другую, испытывая усилие растяжения.

В качестве рабочих жидкостей используют низкомолекулярные углево­дороды различной вязкости (керосин, индустриальное масло И12А, транс­форматорное масло и их смеси), воду, кремнийорганические жидкости и водные растворы двухатомных спиртов.

Для уменьшения коррозии электродов в воду добавляют 4% Са₂Со₃ (кальцинированная сода). Повышение технологических свойств обеспечива­ется введением поверхностно-активных веществ (ПАВ), например компози­ций элементорганических соединений Ва, Са и ароматических веществ.

Предельно допустимая массовая концентрация шлама в рабочей жидко­сти зависит от режима обработки. Например, с увеличением частоты от 0,4 до 44 кГц допустимая концентрация должна быть, соответственно, снижена с 0,49 до 0,19%.

Технологические параметры и режимы ЭЭО. Производитель­ность процесса оценивается скоростью съема материала заготовки. Приближенную оценку производительности процесса (мм³/мин) без учета площади обработки дает соотношение:

Q = nk*%jW_K, (32.1)

где Aj = г_я/А_л, к₂ — значение эрозии материала заготовки при определенных условиях обработки, г„ и h„ — соответственно радиус и глубина лунки;/— частота; W„ — энергия импульса.

Из соотношения (32.1) следует, что производительность определяется энергией и частотой следования импульсов.

По энергии электрические режимы подразделяют на жесткие (0,5—5 Дж), средние (0,1—0,5 Дж), легкие (0,05 — 0,1 Дж) и очень легкие (менее 0,05 Дж).

По технологическим показателям эти режимы соответствуют черновым, получистовым, чистовым и доводочным. В табл. 32.1 приведены режимы ЭЭО прямоугольными импульсами и значения производительности ЭЭО для стали 45. Из табл. 32.1 следует, что максимальная производительность ЭЭО обеспечивается на жестких (черновых) режимах обработки.

Таблица 32.1. Режимы обработки и производительности ЭЭО

Название режима	Частота, кГц	Средний ток, А	Производительность, см /мин
Черновой Получерновой	22—24	35-45 30—35	12000 200—300
Чистовой	66—100	25—20	5—30
Доводочный		10—15	1—5

Точность обработки, несоответствие формы деталей размерам ЭИ при ЭЭО,обусловлено наличием межэлектродного зазора и изменением его размеров по ходу движения рабочей жидкости в МЭП. Двигаясь в МЭП, жидкость обогащается продуктами обработки и нагревается, изменяя свои свойства. В результате на этих участках происходит повышенный съем ме­талла, вызывая конусность у обработанных поверхностей. Для повышения точности при разработке технологии предусматривают оптимальные пути эвакуации продуктов эрозии путем: изготовления специальных технологиче­ских полостей в инструменте и заготовке; формирования направления тече­ния жидкости в зазоре за счет принудительной прокачки или отсоса (рис. 32.4).

Кроме того, погрешности формы снижают корректировкой исходных размеров и формы ЭИ на величину возможных погреш­ностей.

Шероховатость по­верхности определяется элек­трическими и гидравлическими параметрами процесса. Шерохо­ватость R₂ зависит от размера лун­ки и степени перекрытия лунок (см. рис. 32.2). Приближенная количественная связь параметров шероховатости с энергией им­пульса описывается следующим соотношением:

Рис. 32.4. Характер изменения размеров МЭП по длине в зависимости от способов подачи рабочей жидкости (РЖ), удаляющей продукты эрозии:

а — прокачка; б — отсос; / — заготовка; 2 — электрод-инструмент, 3 — шлам

*=у*Л

(мкм),

(32.2)

где (J — коэффициент перекрытия лунок, 2 > р > 1, зависящий от частоты импульсов тока; к — коэффициент, зависящий от материала заготовки; W„ — энергия импульса.

Следовательно, условия получения минимальной шероховатости требу­ют ведения процесса на повышенных частотах с минимальной энергией им­пульса. Помимо того, шероховатость поверхности зависит от концентрации шлама в межэлектродном зазоре, определяемой эффективностью его удале­ния рабочей жидкостью. При работе на мягких режимах с малыми зазорами эффективно удаляют шлам жидкости с низким значением вязкости (типа ке­росина).

Структура и состав поверхностного слоя обусловлены тепловым воздействием электрического разряда, а также химическими воз­действиями плазмы разряда и рабочей жидкости.

В результате теплового воздействия поверхность оплавляется и в поверхностном слое возникают остаточные напряжения растяжения с максимумом на поверхности детали, металл претерпевает наклеп и структурные изменения. Возможно насыщение его компонентами, вхо­дящими в состав материала инструмента, и компонентами, содержащи­мися в рабочей жидкости.

Микротвердость поверхностного слоя металла возрастает. Глубина слоя А_с, иногда называемого дефектным слоем, зависит от теплофизических свойств обрабатываемого металла, шероховатости поверхности и режима обработки. Она определяется следующим соотношением:

*< = ⁴/f^-*> (32.3)

где X — коэффициент теплопроводности; /„ — длительность импульса; С — теплоемкость; р — плотность; R_z — шероховатость поверхности.

Средние значения качества поверхности в зависимости от режима обра­ботки приведены в табл. 32.2.

Таблица 32.2. Качество поверхности при ЭЭО

Тип	Режим ЭЭО	Шероховатость	Глубина	Уровень
обработки		поверхности	дефектного слоя, мм	остаточных на­пряжений
Черновая	Жесткий	Rz80i__Rz320i	0,3—0,2	Высокий
Чистовая	Средний	Rz20i Rz40i	0,2—0,1	Средний
Отделочная	Мягкий	0.8/_1.6/	0,1—0,05	Низкий
	Очень мягкий	0.2/-0.4/	0,05—0,001	Очень низкий

Процесс следует проводить за несколько проходов. При первом, черно­вом, проходе на жестком режиме снимается до 90% припуска, а последую­щие чистовые проходы на мягких и очень мягких режимах обеспечивают высокую точность, низкую шероховатость и высокое качество поверхности. Черновая и чистовая обработки ведутся сменным инструментом, точность чистового инструмента должна быть на 1—2 класса выше требуемой точнос­ти обработки детали.

Специфический характер геометрии поверхностей, а также возможность управления толщиной упрочненного слоя обусловили отличие эксплуатаци­онных свойств поверхностей, обработанных ЭЭО. Так, износостойкость по­верхности из-за удерживания масла совокупностью лунок и наличия упроч­ненного слоя выше, чем при механической обработке. Усталостная проч­ность детали зависит от толщины упрочненного слоя и при обработке на средних и мягких режимах несколько выше, чем деталей, полученных реза­нием при одинаковой чистоте поверхности, что можно объяснить меньшей толщиной дефектного слоя. Коррозионная стойкость поверхностей, полу­ченных на средних режимах, аналогична стойкости при механической обра­ботке резанием. Она возрастает при обработке на мягких режимах, но сни­жается при обработке на грубых режимах.

Технологические операции ЭЭО. Заготовительные опера­ции используют для получения заготовок из молибдена, вольфрама, нике­левых сплавов, сплавов на основе титана, металлокерамики, нитинола и дру­гих труднообрабатываемых материалов.

Отрезку заготовок из проката и металлокерамики выполняют дисковы­ми ЭИ из меди, латуни. Разрезание точных малогабаритных заготовок вы­полняют на вырезных станках (см. рис. 32.3, д).

Прошивание отверстий на глубину до 20 диаметров выполня­ют стержневым ЭИ, до 40 диаметров — трубчатым ЭИ, при прошивке жела­тельно вращать ЭИ (см. рис. 32.3, б).

Формирование рабочих полостей штампов, пресс-форм и вырубных штампов (см. рис. 32.3, а). Обычно ЭЭО штампов выполняют по­сле операции фрезерования, обеспечивающей съем основной массы металла. Штампы после ЭЭО имеют повышенную износостойкость по сравнению со штампами, изготовленными обработкой резанием.

Прямое и обратное копирование позволяет изготавливать пуансон по изготовленной матрице и наоборот, что значительно упрощает технологию их изготовления и исключает слесарную доводку. Обработка по методу ко­пирования ведется на копировально-прошивочных станках с ЧПУ.

Обработка криволинейных каналов газовых тур­бин аэродинамического профиля осуществляют прошивкой с криволиней­ной осью (см. рис. 32.3, в).

Вырезание используют при изготовлении деталей электронной тех­ники, вырубных штампов, шаблонов, лекал, фасонных резцов и т. д. Обра­ботка ведется на вырезных станках проволокой (см. рис. 32.3, д).

Изготовление сеток, решеток и пазов проводят методом копирования групповым ЭИ (см. рис. 32.3, б), одновременно обрабатывая до 800 отвер­стий и более диаметром 0,2—2,0 мм, глубиной 2 мм с точностью ±0,002 мм.

Электроэрозионное шлифование применяют при чистовой обработке наружных и внутренних поверхностей труднообрабатываемых материалов, магнитных и твердых сплавов и т. п. (см. рис. 32.3, е). Точность и качество поверхности при обработке на чистовых и доводочных режимах соответствуют чистовым режимам, выполняемым шлифованием. При этом зона термического влияния при доводочных режимах не превышает 0,003 мм.