Электроэрозионная обработка основные сведения

Электроэрозионная обработка

Электроэрозионная обработка (ЭЭО) – это способ обработки проводящих материалов с использованием контролируемых электрических разрядов. В основе метода лежит явление электрической эрозии – направленного разрушения электропроводящего материала заготовки под действием кратковременных импульсных электрических разрядов между электродом-инструментом и деталью в жидком диэлектрике. При каждом разряде крошечный объем металла мгновенно расплавляется и испаряется, образуя микрократер на поверхности. Миллионы таких искровых микровзрывов, повторяясь, снимают слой материала заданной формы. Благодаря отсутствию прямого механического контакта «инструмент-заготовка» метод позволяет обрабатывать даже самые твердые сплавы с высокой точностью и без значительных остаточных напряжений. Ниже рассмотрены основные принципы и стадии процесса ЭЭО, термические явления при разрядах, технологические схемы и показатели качества, а также оборудование для электроэрозионной обработки и типовые технологические применения.

Основные сведения о теории процесса электроэрозионной обработки и его закономерностях

Электроэрозионная обработка основана на управляемом последовательном возникновении искровых разрядов между двумя электродами – инструментом и заготовкой. Электрод-инструмент обычно изготавливается из электрически проводящего материала (медь, графит, латунь и др.) и имеет форму, близкую к требуемому профилю детали. Заготовка должна быть электропроводной, иначе разряд не сможет возникнуть. Оба электрода погружены в жидкую диэлектрическую среду (специальное масло, керосин, деионизированная вода и пр.), которая выполняет сразу несколько функций: препятствует горению непрерывной дуги, способствует возникновению разряда при относительно низком напряжении, охлаждает разогретые участки и вымывает продукты эрозии из межэлектродного промежутка

Главная особенность ЭЭО – почти полное отсутствие механического давления инструмента на заготовку. Съем металла происходит за счет локальных тепловых взрывов, поэтому на заготовку не действуют заметные силовые нагрузки, отсутствуют вибрации и усилия резания. Благодаря этому исключаются упругие деформации системы «станок–инструмент–деталь», что позволяет достигать высокой точности обработки. В то же время следует учитывать и закономерности, специфические для искрового эрозионного съема: электроэрозия сопровождается образованием так называемого белого слоя (переплавленного поверхностного слоя металла), появлением микронеровностей (кратеров) и некоторым износом самого электрода-инструмента. Понимание этих закономерностей важно для эффективного управления процессом.

Общее описание процесса и стадий его протекания

Для инициирования искрового разряда между электродом-инструментом и заготовкой подается импульсное напряжение. По мере сближения электродов напряженность электрического поля в зазоре растет, достигая максимума на участке минимального расстояния между выступами поверхностей. В момент, когда локальная напряженность поля превышает прочность диэлектрика, происходит пробой межэлектродного промежутка (МЭП) – возникает искровой электрический разряд. Процесс протекает поэтапно, и условно в каждом импульсе можно выделить три основных стадии:

• Стадия пробоя. В месте наименьшего зазора появляется канал проводимости – плазменный «мостик» между электродами. Электроны устремляются к положительному электроду (аноду), и вслед за пробоем начинает протекать интенсивный импульс тока. Ионы, обладающие большей массой, движутся к катоду. В узком столбце искрового разряда концентрируется огромная энергия, за микросекунды разогревающая металл на поверхности анода (заготовки) до температур плавления и кипения. В результате на месте разряда материал анода мгновенно расплавляется и частично испаряется, образуя в поверхности крошечное округлое углубление – кратер. Диаметр и глубина кратера зависят от энергии импульса: чем она больше, тем больший объем металла успевает расплавиться.
• Стадия расширения плазмы. Окружая канал разряда, диэлектрик мгновенно переходит в газообразное состояние – образуется микро пузырь из смеси паров жидкости и металла. Пузырь быстро расширяется, создавая ударную волну и отбрасывая расплавленный металл от зоны разряда. Расплав, выброшенный из кратера, дробится и охлаждается диэлектрической жидкостью, образуя мелкие шарики – затвердевшие капли. Они вместе с остальными продуктами эрозии (оплавленными частицами материала и электродов) отводятся потоком жидкости из зоны разряда.
• Стадия прекращения разряда. Импульс тока имеет очень малую длительность (от нескольких микросекунд до нескольких миллисекунд), поэтому практически сразу после пробоя подача энергии прекращается. Плазменный канал остывает и схлопывается, газовый пузырь лопается. Происходит «мини-взрыв»: ударная волна окончательно выбрасывает остатки расплава из кратера, после чего диэлектрик заполняет образовавшуюся полость. Поверхность электрода-инструмента в месте разряда также подвергается кратковременному тепловому воздействию, но при правильном выборе полярности и параметров импульса съем материала с инструмента минимален. После затухания искры между электродами вновь восстанавливается диэлектрическая прослойка, и система готова к следующему импульсу.

Обработка заготовки на электроэрозионном копировально-прошивочном станке. Заготовка находится в ванне, наполненной рабочей жидкостью.

Каждый отдельный разряд удаляет чрезвычайно малый объем металла, но за счет высокой частоты импульсов (сотни и тысячи разрядов в секунду) суммарный эффект приводит к ощутимому съему материала. Поверхность после ЭЭО покрыта множеством перекрывающихся микро кратеров, формируя характерную матовую текстуру. Если процесс ведется в режиме так называемой электроискровой обработки (короткие импульсы), основной съем происходит с анода – обычно с заготовки. В этом режиме удается сильно уменьшить износ инструмента, однако производительность невысока. При увеличении длительности импульсов (режим электроимпульсной обработки) часть материала начинает значительно сниматься и с катода, поэтому часто меняют полярность: делают заготовку катодом (отрицательным электродом). Это повышает скорость эрозии, но приводит к большему износу инструмента и несколько ухудшает качество поверхности. Таким образом, полярность и длительность импульсов выбирают исходя из компромисса между производительностью, износом электрода и требуемым качеством обработки.

Важно отметить, что электроды электроэрозионного станка в процессе постепенно нагреваются, поэтому после серии импульсов обычно следует пауза (прерывистая подача разрядов, т.е. определенная скважность импульсов). Это дает возможность диэлектрику охладить зону обработки и удалить продукты эрозии перед следующим разрядом. Цикличность «искрообразование – пауза» способствует поддержанию стабильности процесса.

В целом, электроэрозионная обработка – сложный электротермодинамический процесс. На него влияют множество факторов: параметры импульсов (энергия, длительность, частота, полярность), свойства диэлектрика (вязкость, диэлектрическая прочность), материал и площадь электродов, эффективность отвода продуктов эрозии и тепла и т.д. Поэтому в промышленной практике подбор режимов ЭЭО ведется по эмпирическим таблицам и технологическим рекомендациям для конкретных материалов и требуемых результатов.

• Электроэрозионная обработка основные сведения. Часть 2
• Электроэрозионная обработка основные сведения. Часть 3