Технологические процессы. Электроэрозионная обработка. Часть 5

Электроэрозионное разрезание.

Электроэрозионное разрезание – процесс разделения материала на части или вырезания контура с помощью искрового эрозионного метода. Наиболее распространенная технология – проволочно-вырезная обработка (Wire EDM), о которой уже упоминалось. Она и является основным способом электроэрозионной резки.

При проволочно-эрозионной резке:

• В станок заправляется тонкая металлическая проволока (обычно латунная или покрытая цинком для повышенной производительности) диаметром порядка 0,1-0,3 мм.
• Проволока натягивается между верхним и нижним направляющими блоками, образуя режущую струну. Она непрерывно перематывается с катушки, чтобы на зону резания все время поступал свежий участок проволоки.
• Заготовка крепится на столе между направляющими. Стол или направляющие движутся по заданной траектории, так что проволока прорезает требуемый контур.
• Между проволокой (электродом) и деталью проходит непрерывная серия разрядов, вымывающих материал по траектории проволоки. Подача деионизированной воды под давлением охлаждает и очищает зону реза.
• В результате заготовка разделяется, образуется узкая прорезь (ширина около 0,2-0,4 мм, чуть больше диаметра проволоки). С помощью ЧПУ можно вырезать сложные формы с высокой точностью (обычно до ±5 мкм или выше для тонких деталей).

Электроэрозионная резка проволокой используется для изготовления профильных деталей из пластин и плит. Например, вырубные штампы (матрица и пуансон) вырезаются одновременно пакетом на проволочном станке – получаются идеальные сопряженные контуры. Также вырезают зубчатые колеса сложного профиля, рамки микроэлектроники, хирургические инструменты особой формы и т.п.

Преимущества: можно резать очень толстые заготовки (до 300-500 мм) с сохранением точности, чего не даст механическая резка. Нет силы резания – длинные тонкие детали не уводит, их можно вырезать точно. Можно делать резы под углом (при наклоне верхней головки получаются конусные поверхности, сложные матрицы с уклоном).

Недостатки: сравнительно невысокая скорость резания (несколько мм²/мин сечения). Но на современном оборудовании производительность выросла – проволока 0,3 мм может резать стальную пластину со скоростью десятков мм²/мин, а сдвоенная проволока или специальные режимы ускоряют процесс.

Кроме проволоки, электроэрозионное разрезание может осуществляться и другими электродами:

• Тонким пластинчатым электродом (как пила). Редко применяется, но если, к примеру, надо сделать прорезь внутри детали, куда проволоку не завести, можно спустить тонкий пластинчатый электрод и вырезать подобие щели.
• Электроконтактное резание вращающимся электродом (описано ранее) – по сути, диск, вращаясь, делает пропил искрами. Но качество и точность ниже, чем у проволоки, поэтому используется для грубых разрезов.

Пример применения электроэрозионной резки – разделение монолитной заготовки на секции. Если нужно вырезать криволинейную пластину сложного контура из закаленной плиты, проволочный станок справится. Или вырезать ряд тонких игл из общего блока – тоже задача для EDM.

В производстве инструментов это незаменимый метод: все сложные очертания вырубных штампов делаются проволокой. Часто после вырезки даже не требуется шлифовка. А главное – сопряженные детали (пуансон-матрица) можно вырезать одновременно, положив прокладку между ними для зазора. Тогда идеальная равномерность зазора гарантирована.

Итак, электроэрозионное разрезание (особенно проволочное) – ключ к изготовлению высокоточных контурных деталей из любых токопроводящих материалов. Этот метод часто рассматривают как дополнение к лазерной и водоструйной резке, но он превосходит их в точности и в отсутствии термического влияния (лазер греет всю поверхность, а EDM – локально). Поэтому для штучного и мелкосерийного производства сложных контуров в металле EDM-резка – одно из лучших решений.

Обработка непрофилированным электродом.

Иногда возникает ситуация: нужна сложная полость или форма, а изготовить профильный электрод именно такой формы затруднительно или дорого. В таких случаях прибегают к обработке непрофилированным (простым) электродом с помощью продвинутых движений – фактически к электроэрозионному фрезерованию.

Для этого берется простой электрод (например, цилиндрический или сферический), и путем управляемого перемещения по 3D-траектории он «выфрезеровывает» искрами нужную форму в детали. Это аналог фрезерования шаровой фрезой, только вместо резания – искры.

Применение:

• Изготовление сложных 3D-форм (лопатки турбин, пресс-формы с неразвёртываемым рельефом), когда делать набор профильных электродов неудобно. Вместо этого на ЧПУ-станке запускают программу, где электрод двигается и постепенно выжигает нужный объем.
• Протяжка длинных каналов: например, нужно прорезать сложный канал внутри детали – можно последовательными проходами цилиндрического электрода «выфрезеровать» канал нужного сечения.
• Чистовая доводка: после обработки профильным электродом можно пройтись маленьким сферическим электродом по сложному рельефу, сглаживая углы (аналогично тому, как шаровой фрезой снимают уголки).

Для этого, конечно, станок должен быть оснащен ЧПУ с возможностью 3-осевой, а лучше 5-осевой интерполяции, и желательно также иметь систему компенсации износа: ведь электрод в процессе чуть меняет форму (например, сферический электрод постепенно уменьшается в диаметре). Современные EDM-центры имеют такую функцию: они умеют адаптивно корректировать траекторию по измеряемому износу или делают периодическую электроискровую обмерку инструмента.

Важный аспект – материал электрода и его форма. Чаще используются графитовые цилиндры или медные стержни. Графит хорош тем, что может длительно работать, износ мал на мелких импульсах. Медный – дает чуть лучшее качество, но быстрее сгорает. Размеры инструмента выбирают чуть меньше, чем самые узкие места фигуры, чтобы везде пролез. Потом траекторией заполняют всю область. Это похоже на 3D-стратегию фрезеровки – проходят слой за слоем.

Такая обработка медленнее, чем прожигание одним большим электродом, ведь инструмент снимает материал точечно. Но она дает неограниченную гибкость формообразования. По сути, это EDM-аналог 3D-фрезерования, полезный, когда материал слишком твердый или форма не позволяет работать режущим инструментом (например, внутренняя тонкая полость с переменным сечением).

Также обработка непрофилированным электродом применяется, когда нужно сделать небольшие корректировки формы, а изготовление нового профильного электрода слишком долго. Тогда можно запрограммировать чистку каких-то зон существующим простым электродом.

Например, пресс-форма с рельефом «под кожу» – проще взять и «нарисовать» этот рельеф движениями тонкого электрода, чем изготавливать электрод с таким рисунком. Или, например, при изготовлении медицинского импланта сложной формы – программируют его профилирование искрами шарового электрода.

В заключение, метод обработки непрофилированным электродом – это гибкий инструмент в руках технолога, позволяющий реализовать сложные задачи, когда классический подход «одна форма – один электрод» неудобен. С развитием ЭЭ-станков с ЧПУ этот метод становится все более популярным, расширяя горизонты электроэрозионной технологии вплоть до полной аналогии с 5-осевым фрезерным центром, только для самых твердых материалов и сложнейших внутренних геометрий.

Изготовление цанг

Цанга – это пружинящий зажимной патрон (обычно цилиндрическая деталь с прорезями), используемый для зажима инструмента или детали. Изготовление пружинящих цанг – интересная задача для электроэрозионной обработки, поскольку цанга имеет продольные прорези высокой точности в закаленной стали.

Типичная цанга представляет собой цилиндр с осевым отверстием (под инструмент) и несколькими продольными прорезями от торцов, благодаря которым она сжимается. Важна равномерность этих прорезей и отсутствие деформаций после прорезания.

Как электроэрозия помогает изготовить цанги:

Сверлится или вытачивается базовое отверстие в заготовке под размер, соответствующий зажимаемому инструменту (скажем, Ø10 мм).

Заготовка закаливается до высокой твердости (чтобы потом цанга пружинила и была износостойкой).

Далее выполняются продольные прорези через стенку цилиндра, создающие упругие лепестки. Эти прорези, как правило, делаются проволочно-эрозионной резкой:

• Заготовку (будущую цангу) устанавливают на проволочном станке.
• Проволокой прорезают слоты вдоль цанги – например, 3 или 4 прорези равномерно по окружности. Проволока идет параллельно оси цанги, разрезая ее стенку, начиная с торца. Разрез обычно не доходит до противоположного торца, чтобы цанга не развалилась на части – прорези либо делают с двух сторон в шахматном порядке, либо останавливают за несколько миллиметров до конца.
• Поскольку материал твердый, EDM – идеальный метод: прорези получаются узкие, без термического влияния, без механических напряжений, и геометрически точно расположенные.

Если требуется, можно также электроэрозионно подточить конус на наружной или внутренней стороне цанги (некоторые цанги имеют конусную посадку). Конус тоже можно нарезать проволокой по спирали либо прошить профильным электродом.

Концы прорезей тщательно отмываются от шлама, и цанга готова. Обычно качества реза EDM достаточно, чтобы края прорезей были гладкими, не вызывающими концентрации напряжений. Тем не менее иногда применяют легкую полировку или пассивирование.

Преимущества EDM при изготовлении цанг:

• Отсутствие деформаций. Механическая фрезеровка прорезей тонкой фрезой или отрезным диском может разогреть или сдавить деталь, цангу может «повести». Искровой метод не дает силы – разрезы получаются именно там, где нужно, без искривлений.
• Прорезы малой ширины. Проволокой 0,2-0,3 мм можно сделать очень узкие и аккуратные прорези – цанга сохранит большую поверхность контакта и равномерную упругость.
• Работа с закаленной сталью. После термообработки механически резать сталь трудно (инструмент быстро изнашивается, возможны трещины). EDM без проблем режет самую твердую сталь.
• Высокая точность расположения. Все прорези можно позиционировать точно под углом 120° или 90° друг к другу (в зависимости от конструкции цанги). Это важно для равномерности зажима.
• Сложные профили прорезей. Иногда прорези в цанге делают не прямыми, а например, зигзагообразными или двухуровневыми, чтобы задать определенную зону упругости. Это легко осуществимо проволокой по криволинейной траектории – механически почти нереализуемо.

Таким образом, электроэрозионная обработка является ключевой технологией для прецизионного изготовления цанг и подобных упругих прорезных деталей (например, разрезных втулок, гибких соединений). Многие современные цанговые патроны (ER-цанги, цанги для станков) производятся именно с помощью проволочной эрозии – это гарантирует стабильное качество зажима и долгий срок службы без риска трещин, которые могли бы возникнуть от механического реза.