Электроэрозионная обработка материалов. Учебник для ПТУ

ОСНОВНЫЕ СВЕДЕНИЯ

ОБ ЭЛЕКТРОЭРОЗИОННОЙ ОБРАБОТКЕ

§ 1    СУЩНОСТЬ ЭЛЕКТРОЭРОЗИОННОИ ОБРАБОТКИ

Частичное или полное разрушение поверхности под влиянием внешне­го воздействия называется эрозией Под электрической эрозией токопроводящих материалов понимается разрушение поверхности материала под воздействием импульсов электрического тока

Процесс электроэрозионной обработки (ЭЭО) представляет собой разрушение металла или иного токопроводящего материала в резуль­тате локального воздействия кратковременных электрических разрядов между двумя электродами, одни из которых является обрабатываемой деталью, а другой — электродом-инструментом (ЭИ). Под воздействием высоких температур в зоне разряда происходит нагрев, расплавление и частичное испарение металла

Для получения высокой температуры в ограниченной области малого объема необходима большая концентрация энергии Достижение этой цели осуществляется использованием импульсного напряжения, а ЭЭО осуществляется в жидкой среде, которая заполняет зазор между электро­дами, называемый межэлектродным промежутком (МЭП), или меж­электродным зазором.

Ввиду того, что любая гладкая поверхность имеет свой макро- или микрорельеф, между двумя электродами всегда найдутся две точки, расстояние между которыми будет меньше, чем между другими точками поверхностей электродов. При подключении к электродам источника на­пряжения (в данном случае импульсного) между электродами начинает протекать ток и возникает электрическое поле, напряженность кото­рого между близлежащими точками электродов будет достигать наиболь­шего значения. Под воздействием электрического поля в зоне наиболь­шего напряжения происходит ионизация рабочей среды с образованием канала повышенной проводимости, т. е. нарушается электрическая проч­ность рабочей среды. И между этими двумя близлежащими точками происходит пробой МЭП Между точками, в которых произошел пробой рабочей среды, образовывается канал с высокой электрической про­водимостью.

Сечение канала разряда мало, а его расширению препятствует магнит­ное поле, которое сжимает канал. Ту же роль выполняет и рабочая среда, окружающая канал разряда. Длина канала разряда и его диаметр очень малы и поэтому плотность энергии в нем достигает больших величин, а температура в этом локальном объеме — десятков тысяч градусов. В точках, в которых разрядный канал опирается на электроды, происхо­дит оплавление и испарение материала с поверхности электродов. Ра­бочая среда, окружающая канал разряда, под воздействием высо­ких температур разлагается и испаряется. Все эти процессы происходят в очень малые отрезки времени и с выделением больших энергий, поэтому оии носят динамичный взрывной характер.

Под действием сил, развивающихся в канале разряда, жидкий и парообразный материал выбрасывается из зоны разряда в рабочую среду, окружающую его, и застывает в ней с образованием отдельных частиц. В месте действия импульса тока на поверхности электродов появ­ляются лунки, образовавшиеся вследствие удаления импульсным разрядом какого-то количества материала. Таким образом осуществля­ется   электрическая   эрозия токопроводящего   материала,   показанная на примере действия одного импульса, с образованием одной эрозионной лунки. После прекращения действия импульсного разряда напряжение на электродах падает Начинается процесс деионизации рабочей среды, т. е. нейтрализация заряженных частиц, и электрическая прочность рабочей среды восстанавливается. Межэлектродный промежуток подготовляется для нового прохождения очередного разряда. Если на электроды от генератора периодически поступает импульсное электрическое напряже­ние, то процесс будет повторяться. При этом каждый новый импульс­ный разряд будет происходить в том месте, где расстояние между электродами минимально.

Если пауза между импульсны­ми разрядами достаточна для де­ионизации рабочей среды, т. е. для восстановления  ее электричес­кой прочности, то процесс будет по­вторяться с образованием новых эрозионных лунок на поверхности электродов, этим и обусловли­вается электроэрозионный съем материала,   т е    ЭЭО    Описанный процесс представлен на рис 1 Импульсное напряжение генератора / прикладывается к электродам 2 и 3 При достижении напряжения определенной величины происходит электрический пробой рабочей среды, находящейся в межэлектрод­ном пространстве, с образованием канала разряда б Благодаря высо­кой концентрации тепловой энергии металл в точке разряда 5 плавится и испаряется, рабочая среда испаряется и окружает канал разряда газообразными продуктами распада 7 (газовым пузырем). В результате развивающихся в канале разряда и газовом пузыре значительных динами­ческих сил, капли расплавленного металла 4 выбрасываются за пределы зоны разряда в рабочую среду, окружающую электроды, и застывают в ней, образуя каплеобразные частицы В дальнейшем эти частицы выно­сятся течением рабочей среды из МЭП.

Количество тепловой энергии, выделяющейся на каждом из электро­дов при импульсном электрическом разряде, неодинаково; также различно и количество снимаемого материала с поверхности каждого из электродов Масса расплавленного и удаленного материала с электрода зависит от ряда факторов; к ним относятся: теплофизические свойства материалов, из которых изготовлены электроды (температура кипения, плавления, теплопроводность и теплостойкость); параметры рабочего импульса; полярность подключенных электродов Можно подобрать такое соотно­шение теплофизнческих свойств материала электродов и параметров им­пульса, при "которых электрическая эрозия одного из электродов будет преобладать Эрозия ЭИ нежелательна, так как под £е воздействием в процессе работы изменяются его геометрические размеры, что, в свою оче­редь, оказывает существенное влияние на точность ЭЭО. Поэтому стре­мятся создать условия, при которых эрозия ЭИ была бы значительно меньше, чем эрозия обрабатываемой заготовки Решают эту задачу различными способами. Использованием импульсов, у которых ток не изменяет своего направления в течение всей длительности импульса.. Такие импульсы называются униполярными

Использование униполярных импульсов позволяет осуществить процесс   избирательной   электрической   эрозии   одного   из   электродов.

Если при этом оба электрода изготовлены из одного и того же материала, то при малой продолжительности импульсов преобладает эрозия электро­да, имеющего положительную полярность (анода), а при импульсах большой длительности преобладает эрозия электрода, имеющего отрица­тельную полярность (катода). Деление импульсов на импульсы малой и большой длительности условное. Оно принято в ЭЭО и не имеет четких границ,. Превышение эрозии одного электрода над другим принято называть в ЭЭО полярным эффектом.

При наличии изменений полярности за время прохождения импуль­сов полярный эффект также изменяется н может исчезнуть вовсе (в слу­чае использования знакопеременных импульсов с одинаковой ампли­тудой частей импульса, имеющих разные полярности). Такое явление наблюдается, например, при работе на переменном токе Полярный эффект может сохраниться при знакопеременных импульсах, когда элект­роды изготовлены из различных материалов, имеющих различные тепло-физические свойства Полярный эффект достигает наибольшего значе­ния при использовании униполярных импульсов значительной длитель­ности и небольшой энергии В ЭЭО принято, что если обрабатываемая деталь подключена к положительному полюсу генератора, а ЭИ — к отри­цательному, то такое включение электродов называется включением на прямую полярность Если ЭИ подключен к положительному полюсу гене­ратора, а обрабатываемая деталь — к отрицательному, то такое включе­ние электродов называется включением на обратную полярность

Электрическая эрозия будет менее интенсивной у материалов, обла­дающих высокими температурами плавления, и наоборот. Интенсивность электрической эрозии обрабатываемого материала (детали) — одна из важнейших составляющих производительности процесса ЭЭО. Так, обра­батываемость алюминия выше, чем у стали, так как температура его плавления значительно ниже. Исключение составляет твердый сплав, ко­торый имеет эрозионную стойкость ниже, чем у стали, и обладает более высокой температурой плавления.

Материалы, из которых должны изготовляться ЭИ, должны иметь высокую эрозионную стойкость. Таким образом, подбирая материал для ЭИ с более высокими теплофизическими свойствами (что соответст­вует и более высокой эрозионной стойкости), можно значительно умень­шить его износ в процессе работы. Наилучшие показатели в отношении эрозионной стойкости ЭИ и обеспечения стабильности протекания элект­роэрозионного процесса имеют: медь, латунь, вольфрам, алюминий и углеграфитовые материалы. Они пригодны для изготовления ЭИ при обра­ботке всей группы материалов, обрабатываемых электроэрозионным методом. ЭИ из меди применяются реже из-за высокой их стоимости и дефицитности меди, а чаще применяют ЭИ из углеграфита.

Применяются ЭИ различной конфигурации. Копировально-прошивочные операции выполняются профилированными ЭИ. Такие ЭИ имеют трехмерную поверхность, являющуюся зеркальным отображением обрабатываемой детали или ее элементов, т. е. форма и размеры ЭИ опре­деляются формой и размерами обрабатываемой детали или ее элементов. Контурная вырезка осуществляется непрофилированными ЭИ В ка­честве непрофилированного ЭИ используется калиброванная проволока, изготовляемая из латуни, вольфрама и других сплавов. В этом слу­чае форма и размеры ЭИ могут быть не связаны с формой и размерами обрабатываемой детали или ее элементов и отображать их лишь частично-Электроэрозионным способом могут выполняться различные техно­логические   операции   профилированным   и   непрофилированным   ЭИ.

§ 4    РАБОЧИЕ СРЕДЫ

Все физические процессы, сопутствующие ЭЭО, протекают в меж­электродном пространстве, заполненном рабочей средой Последняя, на­ходясь в рабочей зоне, оказывает на электроэрозионный процесс, электро­ды и продукты эрозии физическое, химическое, моющее и механическое воздействие Это влияние оказывается на всех стадиях электроэрозион­ного процесса

На стадии формирования пробоя межэлектродного промежутка сказывается диэлектрическая прочность рабочей среды и ее вязкость. Вязкость определяет время формирования токопроводных частиц в «мостик», по которому происходит пробой 'рабочей среды

На стадии электрического разряда, когда происходит съем металла, протекают процессы разложения рабочей среды, окисления, полимериза­ции и конденсации углеводородов, накапливаются смолистые и асфаль­товые сгустки (шлам), коллоидальный кокс-сажа, различные соли, кислоты, частицы обрабатываемого материала и графитового ЭИ. Испа­ряясь с поверхности электродов, химические элементы рабочей среды под действием разряда вступают в соединения с окисными пленками, покрывающими электроды, и образуют новые химические элементы Эти новые образования имеют различную прочность, термостойкость и электрическую активность, изменяют тепловой баланс разряда, что ска­зывается на скоростях удаления материала с детали и эрозионном износе ЭИ На поверхности ЭЙ происходит образование защитных пленок Все это во многом определяется физико-химическими свойствами рабочей среды.

На следующей стадии, когда происходит удаление продуктов эрозия и продуктов распада из зоны разряда, особое значение имеет вязкость рабочей среды.

С увеличением вязкости степень захвата продуктов эрозии увеличивается и процесс удаления их улучшается. Однако, если меж­электродный зазор мал, то движение вязкой рабочей среды затруднено и процесс удаления ухудшается

Одновременно рабочая среда осуществляет охлаждение рабочей зоны и предотвращает оплавление поверхности электродов

Зная, какую роль играет рабочая среда в электроэрозиониом процессе, сформулируем требования к ней

В качестве основных определяющих технико-экономических харак­теристик рабочей среды выделим следующие 1) вязкость, 2) электри­ческую прочность, 3) температуру вспышки, 4) охлаждающую способ­ность; 5) испаряемость, 6) химическую агрессивность; 7) токсичность; 8) фильтруемость; 9) стоимость.

На электроимпульсных станках чаще всего используются углеводо­родные среды, они представляют собой сложные соединения, включаю­щие различные углеводороды, асфальтосмолистые вещества, сернистые соединения и кислоты

Из вышеперечисленных основных требований следует, что углеводо­родные среды должны иметь минимум сернистых соединений, так как они образуют ядовитый газ, органических кислот, так как они раздражают кожу, корродируют детали станка и снижают электрическую прочность рабочей среды, асфальтосмолистых веществ и ароматических углеводо­родов, так как они ухудшают фильтруемость, охлаждающую способ­ность и при разложении образуют ядовитые газы

Помимо углеводородных сред при ЭЭО в качестве рабочей среды используется вода, которая имеет ряд преимуществ В воде растворяется большое количество различных веществ, образуются коллоидные раство­ры и суспензии. Вода дешевле углеводородных сред и обладает большой теплоемкостью Могут использоваться эмульсолы, применяемые при меха­нической обработке. Основу эмульсолов составляет вода, минеральное индустриальное масло (марок ИС-12 и ИС-20), а в качестве добавок вво­дят поверхностно-активные вещества. Каустическая сода, этиловый спирт и другие компоненты эмульсолов выполняют ту же роль, что и при механи­ческой обработке, т е оказывают охлаждающее, смазочное и моющее воздействие При электроконтактной обработке в качестве рабочей среды иногда используется воздух, который от нагрева не меняет своего агре­гатного состояния и химического состава. Воздух в зону обработки, как правило, подается под давлением. Он выдувает из зоны обработки про­дукты эрозии, переводя их из расплава за счет охлаждения в твердые частицы.