Электроэрозионная обработка материалов. Учебник для ПТУ

Немилов Е. Ф.

Машиностроение, 1983 г.

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.