Электроэрозионные станки

Электроэрозионная обработка основана на тепловом действии импульсных электрических разрядов, возбуждаемых между электрод- инструментом и обрабатываемой заготовкой. Электрические разряды возникают при пропускании импульсного электрического тока в зазоре шириной 0,01 - 0,05 мм между электродом-заготовкой и электродом-инструментом. Под действием электрических разрядов материал заготовки плавится, испаряется и удаляется из межэлектродного зазора в жидком или парообразном состоянии.

При искровом разряде сфокусированный поток электронов, двигаясь с большой скоростью от одного электрода к другому, создает на поверхности электродов ударные волны сжатия. Возникшее в металле механическое напряжение распространяется по всем направлениям. Достигнув первоначальной поверхности, ударная волна отражается от нее и меняет знак на обратный, вследствие чего происходит выброс частиц металла в направлении, встречном направлению ударной волны сжатия. Электрод постепенно погружается в заготовку, копируя в ней свою форму.

В целях интенсификации электрической эрозии зазор между заготовкой и электродом заполняют диэлектрической жидкостью (керосин, минеральное масло, дистиллированная вода). Удаленный с поверхности заготовки металл охлаждается диэлектрической жидкостью и застывает в виде сферических гранул диаметром 0,01 - 0,005 мм.

Непрерывное подведение импульсов тока и автоматическое сближение электрода-инструмента с электродом-заготовкой обеспечивают продолжение эрозии пока не будет достигнут заданный размер заготовки или не будет удален весь металл заготовки в межэлектродном зазоре.

В зависимости от вида применяемых разрядов, их параметров электроэрозионные станки делятся на три вида, получивших широкое применение:

- электроискровые;

- электроимпульсные;

- анодно-механические (относится к комбинированным эрозионным и электрохимическим методам обработки).

Электроискровые станки (рис.107)используют искровые разряды малой длительности (10^-5…10^-7 с) при прямой полярности подключения электродов (заготовка "+", инструмент "-"). В зависимости от мощности искровых разрядов режимы делятся на жесткие и средние (для предварительной обработки), мягкие и особо мягкие (для окончательной обработки). Использование мягких режимов обеспечивает отклонение размеров детали до 0,002 мм при параметре шероховатости обработанной поверхности Rа=0,01 мкм.

Электроискровые станки используют:

- при обработке твердых сплавов, труднообрабатываемых металлов и сплавов, тантала, молибдена, вольфрама и т.д.;

- обрабатывают сквозные и глубокие отверстия любого поперечного сечения, отверстия с криволинейными осями;

- используя проволочные и ленточные электроды, вырезают детали из листовых заготовок;

- нарезают зубья и резьбы;

- шлифуют и клеймят детали.

На рис.105 представлены различные виды электроискровой обработки.

Одна из схем электроискровой обработки показана на рис.106. Электрический ток от специального импульсного генератора ГИ подводится к электрод- инструменту 1 и к обрабатываемой детали 2. Электрод подключается к отрицательному полюсу генератора, а деталь - к положительному. Обработка производится в жидкой среде, не проводящей электрический ток, например в трансформаторном масле, индустриальном масле, смеси индустриального масла с керосином и др.

Процесс обработки состоит в последовательном возбуждении дуговых разрядов между поверхностями электрода и детали через зазор определенной величины. При подаче импульса напряжения на электрод и деталь в межэлектродном зазоре возникает дуговой разряд, который создает на поверхности высокую температуру, порядка 4000-5000 ºС. Воздействие разряда вызывает на поверхности обрабатываемой детали расплавление металла, который выбрасывается в межэлектродное пространство (рис.106). Максимальная мощность генератора 1-1,5 кВт, наибольшая энергия импульсов 4-5 Дж. Постоянство межэлектродного зазора поддерживается специальной следящей системой, управляющей механизмом автоматического движения подачи инструмента, изготовленного из меди, латуни или углеграфитных материалов.

Электроимпульсные станки работают на основе использования импульсных дуговых разрядов малой скважности, но разной энергии и частоты. Черновая обработка происходит при большой энергии и низкой частоте, а чистовая обработка - при малой энергии и высокой частоте. Возбуждение разрядов осуществляется электрическим независимым генератором.

В отличие от электроискровых, в электроимпульсных станках обрабатываемая деталь соединяется с катодом (-), а инструмент - с анодом (+). Съем металла осуществляется в основном в его капельно- жидком состоянии, что положительно отражается на энергоемкости процесса. Электроимпульсный метод используется при обработке средних и крупных штампов, пресс-форм и их деталей из закаленных и труднообрабатываемых материалов.

Электрод-инструмент изготовляют из материалов с высокой теплопро­водностью, таких как медь; алюминий и его сплавы, специальные графитизированные материалы, вольфрам.

Электроимпульсные режимы реализуются установками (рис.108), в которых на электроды 1 и 2 подаются униполярные импульсы от электромашинного 3 или электронного генератора. Возникновение Э.Д.С. индукции в намагниченном теле движущимся под некоторым углом к направлению оси намагничивания позволяет получать ток большей величины.

В зоне обработки выделяется большое количество тепла, которое для обеспечения непрерывности обработки необходимо интенсивно отводить. Кроме того, в процессе обработки появляются частицы снятого материала и продукты износа электрода. При малых энергиях разрядов значительно ухудшается очистка межэлектродного промежутка, чем снижается эффективность процесса. Указанные обстоятельства заставляют электроимпульсную обработку осуществлять в два приема. Сначала используют разряды большой энергии с низкой частотой (черновая обработка). На этом режиме удаляют основную часть металла, оставляя припуск порядка 0,5 - 1 мм. После этого снижают энергию разрядов, повышают частоту и удаляют образовавшуюся неровность (чистовая обработка).

Интенсивность съема металла с 1 см² обрабатываемой поверхности при оптимальной подводимой мощности составляет для сталей 35 - 60 мм³/мин. Это позволяет вести обработку со скоростью углубления инструмента в деталь 0,35 - 0,6 мм/мин независимо от размеров обрабатываемой поверхности. Шероховатость поверхности при обработке деталей из стали соответствует 2,5 < Ra < 5 мкм, а при обработке деталей из твердого сплава 1,25 < Ra < 2,5 мкм. Исследования и практика указывают на возможность получения размеров с точностью до 0,08 — 0,2 мм при обработке поверхностей и 0,01-0,03 мм при обработке отверстий.

На рис.109 представлен общий вид электроимпульсного копировально-прошивочного координатного станка высокой точности мод. 4Б772, который предназначен для обработки фасонных плоскостей и отверстий в деталях из токопроводящих материалов, в основном в твердых сплавах, жаропрочных, высоколегированных и закаленных инструментальных сталях.

Станок укомплектован генератором с совмещенным пультом управления, позволяющим обрабатывать сквозные отверстия с точностью до 0,01-0,02 мм, а фасонные поверхности - с точностью до 0,04- 0,06 мм. Оптимальная площадь обработки для генератора 3000 мм², на которой может быть получена наибольшая производительность - 500 мм³/мин медным электродом и 540 мм³/ мин - графитовым.

Черновая обработка выполняется одновременным воздействием на обрабатываемый материал ультразвукового и электрохимического процессов при размерной точности ±0,1 мм. Чистовая обработка производится только ультразвуковым способом, обеспечивая размерную точность 0,02 мм. Кроме этого, на станке можно прошивать отверстия любой формы в деталях из хрупких материалов.

Основанием станка является станина 1, на которой расположен координатный стол 2 с баком 3. Круглая планшайба стола имеет механический и ручной приводы поворота. В верхней части на колонне 6 имеется шпиндельная головка 5, которая заканчивается магнитострикционным вибратором 4. Шпиндель станка, несущий магнитострикционный преобразователь и катод-инструмент, вместе с механизмом перемещения смонтирован на цилиндрической колонне. Установочное вертикальное перемещение в направляющих стойки он получает от встроенного в корпус колонны механического привода. Внутри станины расположены поворотный бак с абразивной суспензией, помпа для перемешивания абразива, диафрагменный насос 7 для нагнетания суспензии в зону обработки, а также трубопроводы, подводящие суспензию в зону обработки и воду для охлаждения магнитострикционного преобразователя.

Электроэрозионные копировально-прошивочные станки обрабатывают фасонные отверстия и полости, внутренние и наружные поверхности тел вращения, производить шлифование, разрезание и т.д.

В копировально-прошивочных станках управление осуществляется по трем координатам, поэтому можно получить винтовые и эвольвентные поверхности, различные внутренние фасонные отверстия и полости. Копировально-прошивочный электроэрозионный станок состоит из станины с рабочим столом и рабочей головкой, привода подач, устройства управления, генератора импульсов технологического тока и гидростанции с фильтрами для подачи рабочей жидкости. Наибольшее распространение получили копировально-прошивочные станки вертикальной компоновки, оснащенных либо неподвижным столом и подъемной ванной для рабочей жидкости, либо координатным столом и съемной ванной (рис.110). Рабочая головка с подвижной пинолью крепится на стойке, координатный стол выполняется на опорах качения. Возвратно-поступательное движение стола осуществляется электромеханическим или электрогидравлическим приводом подач с высокомоментным двигателем постоянного тока, допускающим безредукторное соединение с ходовым винтом.

Кинематическая схема привода подачи с высокомоментным двигателем и широкорегулируемым электроприводом показана на рис.111. Вал электродвигателя 7 через сильфонную муфту 6 соединен с ходовым винтом 4. Винт вращается в подшипниках 5. Гайка 3 жестко закреплена с пинолью 2, к которой крепится электрод-инструмент. Пиноль перемещается в шариковых направляющих качения 1. Поворот пиноли вокруг оси исключен механизмом 10. Для контроля перемещений инструмента установлен сельсин 8, связанный с блоком индикации. Вращение на вал сельсина передается через зубчатую передачу 9, обеспечивающую один оборот вала сельсина на 10 мм перемещения пиноли.

Электроэрозионные вырезные станки применяются для обработки деталей вырубных штампов, копиров, шаблонов, фасонных резцов и другую инструментальную оснастку. В зависимости от числа одновременно обрабатываемых заготовок выпускаются одно- и многопозиционные электроэрозионные вырезные станки. Они могут оснащаться различными системами управления: аналоговыми или устройствами ЧПУ.

Особенности конструкции станков определяют их технологические преимущества: не требуется фасонный инструмент, нет необходимости делать поправки на износ электрода, возможно получение мелких деталей сложной формы, возможность автоматизации, использование в качестве рабочей жидкости воды, эффективная обработка опытных образцов деталей и профильных калибров. На точность обработки влияет износ электрода-инструмента, величина зазора между заготовкой и инструментом, точность системы управления и копирования. Износ зависит от режима обработки, толщины заготовки, скорости перемотки и рабочей среды. Зазор определяется энергией и амплитудой импульсов, и также зависит от толщины заготовки, скорости перемотки и натяжения проволоки. Шероховатость поверхности определяется энергией импульсов и натяжением проволоки. На производительность влияет диаметр и марка проволоки, ее натяжение, скорость перемотки, энергия импульсов, среда обработки и толщина заготовки.

От электропроводности рабочей жидкости зависят ширина паза и скорость резания. Натяжение электрода-инструмента зависит от материала проволоки и ее диаметра.

Принцип вырезания деталей с цилиндрической образующей представлен на рис.112, а. Проволочный электрод-инструмент внедряется в заготовку, образуя узкую щель шириной b_n, равной сумме диаметра проволоки d и двух боковых зазоров S_l между проволокой и деталью. При вырезании внутренних замкнутых контуров необходимо вначале получить технологическое отверстие для заправки проволоки. Эта операция выполняется на специализированных электроэрозионных станках, либо с помощью автоматических приспособлений - стартронов вырезных станков, осуществляющих сверление заправочных отверстий методом прошивки. Стартроны позволяют получать отверстия глубиной до 80 мм при диаметре 2 мм, или до 30 мм при диаметре 1 мм.

Основные узлы станка: координатный стол с приводами подач и приспособлением, фиксирующим заготовку, устройство направляющих проволоки, ее перемотки и натяжения, агрегат подготовки и подачи рабочей жидкости в зону обработки, система управления подачами, генератор импульсов тока.

Эрозионная геометрия образуется геометрией зазора и кинематикой передаваемого станком движения. Эрозионный промежуток между поверхностями электрода и изделия составляет несколько сотых долей мм. Осуществление движений рабочих органов станка должно соответствовать точности обработки с учетом геометрических и динамических погрешностей станка. Устройства осуществления движения должны быть выполнены с высокой жесткостью, чтобы исключить короткое замыкание между электродом и заготовкой и поддерживать регулируемый эрозионный зазор, который сравнительно невелик из-за наличия продуктов эрозии и собственных колебаний проволоки под действием разрядных импульсов. Исходя из точности электроэрозионной обработки наименьший шаг перемещения, отрабатываемый приводом подач должен составлять 0,2-2 мкм. В приводах подач вырезных станков используют шаговые двигатели постоянного тока и асинхронные двухфазные.

Механизм перемотки и натяжения и направляющие проволоки предназначены для обеспечения прямолинейности, малых колебаний проволочного электрода и постоянства скорости проволоки. Прямолинейность достигается усилием натяжения. Кроме натяжения проволоки на амплитуду колебаний большое влияние оказывает расстояние между направляющими, зависящее от толщины вырезаемой детали.

Для электроэрозионной вырезки используются латунная, медная, молибденовая или вольфрамовая проволока фильтром 0,15-0,3 мм.

Направляющие проволоку элементы выполняются в виде различных конструкций из призм, пространственных лабиринтов из штифтов, подвижных и неподвижных роликов и фильер. К системе направляющих проволочного электрода предъявляются следующие требования: постоянство силы трения проволоки при ее перемещении, надежная фиксация и отсутствие смещения, постоянство натяжения проволочного электрода и уменьшение амплитуды поперечных колебаний. Этим обусловлено постоянное совершенствование систем направления проволочного электрода-инструмента (рис.113).

Первоначально применялись направляющие вилки (рис.113, а), но производительность процесса обработки оказалась зависимой от направления подачи - максимальный при подаче в направлении закрытого конца и меньшей при движении в сторону открытого конца из-за нарушения стабильности обработки при частых коротких замыканиях. Тот же недостаток имеют направляющие в виде твердосплавной призмы с пазом (б), кроме того, они допускают боковой зазор в пазе, что вызывает появление рисок на поверхности детали. Широко распространены пространственные лабиринты из штифтов, изготовленных из ультракерамики (в), проволока располагается между образующими цилиндрических стержней, ограничивающих ее смещение с 4-х сторон. При этом производительность не зависит от направления подачи, но при больших диаметрах проволоки возникают значительные усилия трения, что вызывает быстрый износ штифтов и самой проволоки. Используются призматические направляющие с силовым замыканием (г), в которых электрод-инструмент проходит между двумя твердосплавными призмами, в одной из которых сделаны канавки для различных диаметров проволоки, а другая поджимается к ней пластинчатой пружиной. Недостатком такого устройства является низкая технологичность и трудность обеспечения оптимального прижима для тонких проволок диаметром 0,02-0,1 мм.

Перспективны фильерные направляющие (рис.113, д), однако они сложны и дороги в изготовлении, затруднена заправка в них проволоки, для каждого диаметра электрода-инструмента необходим комплект фильер, кроме того, проволоку приходится предварительно калибровать с допуском до 0,01-0,02 мм. Просты и достаточно технологичны пластинчатые направляющие (е), состоящие из двух взаимно перпендикулярных пластин, разделенных и смещенных по вертикали относительно друг друга. Прижим создается за счет электромагнитов, притягивающих пластину к сердечнику, его можно регулировать, управляя током катушки электромагнита. Износостойкость направляющих повышают армированием пластин и якоря искусственным алмазом.

Наиболее перспективны направляющие с V-образным пазом, прямая (рис.113, ж) или круглая (рис.113, з). Они могут использоваться для широкого диапазона диаметров проволоки, причем обеспечивается быстрая и удобная заправка электрода-инструмента без перестановки или замены направляющих элементов. Недостатком их остается колебание усилия прижима при протягивании эродированной проволоки. Этого недостатка лишены V-образные сегментные направляющие с силовым замыканием (рис.113, и), в которых проволока фиксируется в пазу роликом, расположенным поперек паза, с определенным усилием, регулируемым при помощи пружины или электромагнита.

Токопровод должен быть расположен как можно ближе к зоне обработки, не создавать дополнительного трения и потери энергии импульсов тока. Применяются токопроводы скольжения и вращающиеся (рис.113, и). Располагают токопроводы под нижней и над верхней направляющими.

При обработке заготовок, имеющих контуры малого периметра, на данных станках требуется частная заправка проволочного электрода-инструмента. На рис.114, а представлена система заправки проволочного электрода. Устройства на рисунках (б) и (в) обеспечивают отрезку и скручивание концов проволоки. Устройство заправки состоит из вертикальных салазок, по которым с помощью пары винт-гайка перемещается блок 2 с подающими роликами и вертикальной трубкой 3, проволочный электрод с катушки 9 проходит через ролики и трубку в заходное отверстие заготовки 5, направляющая 6 проволоки расположена соосно с тянущими роликами, приводимыми во вращение двигателем 7. На вертикальных салазках смонтировано устройство обрезки проволоки с резаком 10, перемещаемое соленоидом. Поворот резака осуществляется двигателем 11. Перед обрезкой блок с подающими роликами и трубкой перемещается вверх, а зажим 4 автоматически освобождает нижний конец трубки. Устройство скручивания автоматически соединяет оборванную проволоку. Электрод подается сквозь трубку 12, а по образующей соосного с ней конического валика 17 заправляется нижний конец оборванной проволоки. Выступ 16, покрытый резиной, прижимается к выступу верхней консоли. Конический валик получает вращение от привода 13.

Станки для анодно-механической обработки (рис.116)осуществляют комбинированный процесс анодного растворения и электроэрозионного воздействия на обрабатываемую деталь, изготовленную из всех токопроводящих материалов, высокопрочных и труднообрабатываемых материалов и сплавов, вязких материалов. Схема обработки показана на рис.115, а. Инструмент 1 в виде диска (или непрерывной ленты) вращается и подается в сторону заготовки 2. Подаваемый в пространство между инструментом и заготовкой электролит растворяет под действием тока металл. Образуемая на его поверхности тонкая пленка 3 (рис.115, б) имеет небольшую прочность и поэтому легко удаляется инструментом. На месте удаленной пленки образуется новая, которая также удаляется инструментом. Одновременно с этим электромеханическим процессом происходит электроэрозионный процесс, так как при удалении пленки возникают искровые промежутки, через которые проходят электрические разряды.

В качестве электролита, дающего пассивирующую пленку на аноде, применяют водный раствор жидкого стекла, электрод изготовляют из низкоуглеродистой стали.

Анодно-механическую обработку применяют главным образом для разрезания заготовок из высоколегированных сталей и труднообрабатываемых сплавов, иногда шлифования твердосплавных заготовок.

Скорость разрезания составляет: диском 15 - 35 см/мин, лентой - до 20 см/мин; шероховатость поверхности соответствует 20 < Rа < 80 мкм при разрезании и 0,63 < Ra< 1,25 мкм при шлифовании. Ширина прорези при разрезании 1,5 - 3,0 мм на дисковых станках и 1-2 мм - на ленточных.

Круг операций, выполняемых при электроэрозионной обработке, может быть значительно расширен, если на станках применять широкоуниверсальные головки, позволяющие получать формообразующие движения электрод- инструмента и заготовки. При использовании головки создаются более благоприятные условия удаления продуктов эрозии, предотвращается конусность обрабатываемой поверхности. Электрод-инструмент при этом может быть менее точным, так как размер не копируется, уменьшается расход материала на его изготовление, а число вариантов обработки значительно расширяется.

На рис.117 представлены различные схемы применения анодно-механической обработки.