Электроэрозионная обработка основные сведения. Часть 2

Тепловые процессы на электродах

При искровом разряде высвобождается значительное количество тепловой энергии в экстремально локальной зоне. Температура плазмы в канале разряда может достигать десятков тысяч градусов, а поверхности электродов в микрозоне контакта нагреваются до 3000-8000°C и выше за миллионные доли секунды. Эти тепловые явления определяют как съем металла, так и износ инструмента электроэрозионного станка.

Основная доля расплавления происходит на аноде (при прямой полярности, когда заготовка «+»). Катод (инструмент при прямой полярности) нагревается меньше, так как тяжелые положительные ионы успевают удалить меньше материала с его поверхности. Поэтому традиционно в большинстве операций ЭЭО заготовку делают анодом – это снижает износ инструмента и улучшает воспроизведение формы. Однако даже при оптимальной полярности часть энергии разряда расходуется на нагрев инструмента, вызывая его эрозионный износ. Интенсивность износа электрода-инструмента зависит от материала (например, графит и медь обладают разной стойкостью), а также от режима: на черновых режимах (большая энергия импульса) износ выше, на чистовых (малые импульсы) – ниже, вплоть до долей процента от снятого объема металла.

После прекращения разряда расплавленный в кратере металл быстро охлаждается диэлектриком и затвердевает, формируя на поверхности рекавитационный (белый) слой – тонкую пленку переплавленного и вновь закристаллизовавшегося металла. Этот слой обычно отличается от основного материала по структуре (может быть тверже и хрупче из-за закалки неравновесным охлаждением) и содержит микротрещины из-за термических напряжений. Толщина белого слоя зависит от энергии импульсов и свойств материала и обычно составляет десятки микрометров. При чистовой обработке он минимален.

Тепло, накопленное электродами, рассеивается в диэлектрической жидкости и телах электродов. Диэлектрик играет роль охлаждающей жидкости: он отводит тепло от зоны искры и не дает процессу перейти в неконтролируемую дугу. Однако при продолжительной работе возможно общее повышение температуры рабочей жидкости и электродов. Поэтому станки ЭЭО обычно оснащаются системой термостатирования диэлектрика (охладители, теплообменники), а при точных операциях могут применяться паузы или поэтапная обработка, чтобы избежать перегрева детали и потери точности.

Стоит учесть, что тепловое влияние на электродах локально, и глобальные деформации детали отсутствуют (нет нагрева всего объема детали до высоких температур, как, например, при сварке). Температурные искажения размеров минимальны и носят временный характер. Это одно из преимуществ метода – возможность обрабатывать закаленные и массивные детали без вывода их из термически напряженного состояния.

В итоге тепловые процессы при ЭЭО сводятся к кратковременному импульсному нагреву микрозон поверхности и последующему стремительному охлаждению. Правильный выбор режима (энергии и длительности импульсов, полярности, пауз) позволяет контролировать глубину термического влияния на материал: отбирать только нужный слой и минимизировать повреждение основы. Именно контролируемое тепловое воздействие отличает электроэрозионную обработку от механических методов резания, где тепло – побочный эффект трения. В ЭЭО тепло – основной «инструмент» снятия металла.

Основные технологические схемы электроэрозионной обработки

Существуют различные схемы реализации электроэрозионного метода, отличающиеся типом используемого электрода-инструмента, характером перемещений и режимом разряда.

К основным технологическим разновидностям ЭЭО относятся:

• Копировально-прошивной метод (погружная электроэрозионная обработка). В этом классическом варианте форм изготовления используется объемный электрод-инструмент, который имеет профиль, дополняющий желаемую форму на детали. Инструмент постепенно погружается (прошьет) в заготовку, эрозионно выжигая в ней полость или прорезь точно по своему контуру. Заготовка неподвижна, а инструмент совершает поступательное движение вглубь. Пример – выжигание пресс-формы или штампа с помощью фигурного электрода. По такой схеме работают копировально-прошивные электроэрозионные станки, обеспечивая высокое соответствие получаемого отверстия или полости форме электрода.
• Проволочно-вырезной метод (разрезание проволочным электродом). Здесь в качестве инструмента выступает тонкая металлическая проволока, постоянно перематываемая через заготовку. Проволока натянута между направляющими и движется, прорезая заготовку по заданному контуру подобно лобзику. Между проволокой и деталью вспыхивают разряды, вырезая щель шириной чуть больше диаметра проволоки. Эта схема реализована в проволочно-вырезных станках (установках электроэрозионной резки) и позволяет вырезать сложнейшие контуры из толстого металла с ювелирной точностью. Проволока используется одноразово (сматывается в отходы), а для охлаждения и отмыва продуктов эрозии применяют диэлектрическую воду. Такой метод особенно эффективен для изготовления профильных пластин, штампов, фигурных вырезов, где требуется точное плоское контурное раскроение материала.

• Режим электроискровой и электроимпульсной обработки. В зависимости от требуемого результата применяют два близких по сути, но разных по параметрам режима. Электроискровой режим – это короткие одиночные искровые разряды (длительностью несколько микросекунд) с относительно небольшим зарядом. Он характеризуется стабильным искрообразованием, минимальным износом инструмента и тонким слоем теплового влияния. Используется для чистовой обработки и упрочнения. Электроимпульсный режим предполагает более длительные разряды (десятки-сотни микросекунд), вплоть до перехода искры в короткую дугу. Это дает больший объем съема за импульс (повышая производительность), но усиливает износ инструмента и увеличивает шероховатость. Такой режим эффективен для чернового снятия значительных объемов металла.
• Электроконтактная эрозия. Особый вариант ЭЭО, при котором электрод-инструмент вращается и периодически касается заготовки. В месте касания возникают искровые микровспышки (за счет того, что отдельные выступы на вращающемся электроде то приближаются, то удаляются, образуя прерывистые контакты). Фактически вращающийся инструмент сам генерирует импульсы тока без специального электронного генератора – разряды возникают при каждом схождении неровностей. Этот метод позволяет осуществлять электроэрозионное шлифование и резание без сложной импульсной схемы, за счет механического вращения инструмента. Электрод-инструмент служит одновременно и «искровым», и механическим рабочим органом. Прямая полярность (заготовка «+») при этом предпочтительна. Электроконтактная схема находит применение для плоскостного шлифования твердых деталей вращающимся диском-инструментом или для прорезания канавок вращающимся электродом с подачей вдоль поверхности. Однако управлять параметрами разряда в такой схеме сложнее, поэтому она используется для сравнительно простых операций.

Схема электроэрозионного шлифования:

1. вращающийся электрод-инструмент;
2. обрабатываемая заготовка;
3. диэлектрическая жидкость;
4. насадка.

Перечисленные схемы охватывают основные варианты электроэрозионной обработки. На практике часто применяются комбинированные подходы: например, черновое прошивание объемным электродом (для быстрого удаления материала), затем чистовое шлифование электроконтактным способом (для улучшения качества поверхности). Во всех случаях принцип остается единым – контролируемое искровое разрушение материала за счет энергии электрических импульсов.

• Электроэрозионная обработка основные сведения.
• Электроэрозионная обработка основные сведения. Часть 3