книги / Технологии и оборудование механической и физико-технической обработки

–межэлектродный зазор (МЭЗ) – расстояние в рассматриваемом месте межэлектродного промежутка между поверхностями ЭИ и ЭД, перпендикулярными направлению подачи;

–рабочий импульс – импульсный разряд, производящий съем металла вследствие электрической эрозии.

Для осуществления процесса ЭЭО необходимо создать большую концентрацию энергии в зоне разряда. Для достижения этой цели используется генератор импульсов (ГИ). Импульсы тока, сформированные ГИ, подаются на электрод-деталь и элек- трод-инструмент. Процесс ЭЭО происходит в рабочей жидкости – диэлектрике, которая заполняет МЭП.

Поскольку при ЭЭ-обработке МЭП заполнен жидкой диэлектрической средой, для прохождения импульса тока необходимо, чтобы непроводящий слой РЖ превратился в проводник.

Вработе [17] явление мгновенного превращения диэлектрика, заполняющего МЭП, в проводник названо пробоем межэлектродного промежутка, или стримером.

Как известно [15–17], в любом веществе присутствует некоторое количество свободных носителей заряда (электроны и ионы), существование которых обусловлено рядом внешних факторов (ультрафиолетовое излучение и т.п.). При сближении двух металлических электродов, находящихся под напряжением, носители заряда из-за действия электрического поля начинают равноускоренно перемещаться, в результате чего происходит их соударение с молекулами вещества. После соударения заряженная частица передает часть своей энергии молекуле вещества и теряет скорость. Энергия, которую электрон или ион может передать нейтральной молекуле, зависит от величины напряженности электрического поля [22]:

где E – напряженность электрического поля; U – напряжение между электродами; δ – МЭЗ.

41

Чем больше величина напряжения, тем больше энергии носитель заряда способен передать встречной молекуле.

При некотором значении напряженности на электродах достигается такое состояние, при котором электрон может передавать встречной нейтральной молекуле энергию, достаточную для ионизации, т.е. из молекулы атома жидкости будет выбит хотя бы еще один электрон, который, как и первый, произведет ионизацию. Когда напряженность электрического поля в некоторой зоне МЭЗ превысит критическое значение (т.е. там, где МЭЗ минимален), произойдет лавинообразное нарастание числа новых носителей зарядов, что приведет к перекрытию всего промежутка каналом, состоящим из свободных ионов и электронов и, следовательно, обладающим проводящими свойствами (рис. 4.1), иными словами, образуется стример.

Рис. 4.1. Схема образования канала пробоя

Согласно [15], стример представляет собой плазменный канал, которыйрасширяетсяв течение действия импульса (рис. 4.2).

В начальный момент времени плазма в канале пробоя не имеет ни радиуса, ни массы. Высокотемпературный канал пробоя излучает энергию, которая поглощается окружающим диэлектри-

42

ком, так же как и металлическими электродами. Излучение плазмы испаряет и ионизирует тонкий слой окружающей жидкости, идущей на увеличение массы плазмы. Радиус канала плазмы увеличивается со временем из-за высокого внутреннего давления в канале и преобразования окружающего диэлектрика в плазму. На это преобразование уходит 70–74 % общей энергии.

Рис. 4.2. Плазменный канал

Процесс образования стримера зависит от множества факторов: свойств РЖ, степени загрязнения РЖ продуктами эрозии, материала электродов и др.

После прохождения импульса тока напряжение между электродами отсутствует, происходит деионизация РЖ, т.е. нейтрализация заряженных частиц. Пространство между электродами подготавливается для нового прохождения очередного заряда. Вновь приложенное к электродам напряжение создает предпосылку к образованию следующего разряда электрического импульса, т.е. повторяется процесс образования стримера. Совокупность электрических разрядов, проходящих от ЭИ к ЭД с определенной частотой их следования, и реализует процесс ЭЭО. Процессы, протекающие в канале разряда, представлены на рис. 4.3 [20].

Количество тепловой энергии, которая выделяется на электродах, неодинаково, так же как и количество снимаемого материала

43

с поверхностей ЭИ и ЭД. Данное неравновесие зависит от множества факторов: теплофизических свойств материалов ЭИ и ЭД, параметров рабочих импульсов, а также полярности рабочих импульсов. Было установлено [21], что при помощи варьирования этими факторамиможноувеличиватьилиуменьшатьэрозиюэлектродов.

Эрозия ЭИ является нежелательным явлением в ходе ЭЭО. Это связано с тем, что искажение формы электрода-инструмента будет оказывать негативное влияние на точность ЭЭО и шероховатость обработанной поверхности.

Рис. 4.3. Взаимосвязь физико-химических процессов при ЭЭО

При электроэрозионной обработке стремятся создать условия, при которых износ ЭИ был бы незначителен. Одним из способов уменьшения величины износа ЭИ является применение униполярных импульсов.

Использование униполярных импульсов позволяет осуществлять процесс избирательной электрической эрозии одного из электродов [6]. Если при этом оба электрода изготовлены из одного и

44

того же материала, то при малой продолжительности импульсов преобладает эрозия электрода, имеющего положительную полярность (анода), апри импульсах большой длительности преобладает эрозия электрода, имеющего отрицательную полярность (катода). Разделение импульсов на импульсы малой и большой длительности является условным. Превышение эрозии одного электрода над другим принятоназыватьв ЭЭО полярным эффектом.

Полярный эффект достигает наибольшего значения при использовании униполярных импульсов значительной длительности и небольшой энергии. Если обрабатываемая заготовка подключена к положительному полюсу ГИ, а ЭИ – к отрицательному, то такое включение электродов называется включением на прямую полярность. Если ЭИ подключен к положительному полюсу ГИ, а обрабатываемая заготовка – к отрицательному, то такое включение электродовназывается включением наобратнуюполярность.

4.3. Сведения о единичной лунке

Под единичной лункой (лунка) понимается след на обрабатываемой поверхности, полученный в результате воздействия одного электрического разряда (рис. 4.4) [9].

Рис. 4.4. Лунка, образовавшаяся на обрабатываемой поверхности под воздействием единичного разряда: 1 – выплавленный металл; 2 – белый слой; 3 – валик вокруг лунки; 4 – обрабатываемая деталь

В работе [24] говорится, что энергия импульса тока, распределяясь между анодом, катодом и столбом разряда, выделяется в течение весьма короткого времени (10–6...10–7 с) при высоких плотностях. В результате этого происходит удаление металла с обрабатываемой поверхности, изменение структуры и свойств

45

поверхностного слоя, образование внутренних напряжений и другие физические явления.

Энергию импульса можно рассчитать по формуле [22]

где Wи – энергия импульса, Дж; I – сила тока, А; U – напряжение, подаваемое на электроды, В; tи – длительность импульсов (в за-

рубежной литературе обозначается ton), с.

Установлено [17, 19, 24], что в течение импульса металл с элек- трода-инструмента и электрода-детали удаляется в основном в жидком и газообразном состояниях. Как было отмечено в подразд. 1.2, рабочая жидкость, окружающая канал разряда, испаряется, образуя газовую полость. В начальный момент скорость движения границ газовой полости (см. рис. 4.2 – фронт ударной волны) достигает 200 м/с, а давление в полости – сотен атмосфер. В результате обрабатываемый материал испытывает значительное механическое давление. После окончания импульса тока газовая полость по инерции продолжает расширяться, что наряду с конденсацией паров металла приводит к быстрому падению давления в ней, вплоть до давления ниже атмосферного. В момент, когда размеры газовой полости приближаются к наибольшим, а давление в ней к наименьшему, перегретый металл, который находится в образовавшейся лунке, вскипает и выбрасывается из нее. Реактивной струей паров металла оставшийся в лунке жидкий металл выдавливается из нее и, застывая, образуетокаймляющийвалик (см. рис. 4.4, 4.5).

В результате ЭЭО образуется поверхность, представляющая собой совокупность большого количества лунок. Основными характеристиками лунок являются: радиус rл, глубина hл, их соотношение К = rл / hл, атакже коэффициент перекрытия лунок β (отношение rл к расстоянию между соседними лунками L). В основном данные параметры и определяют основные показатели ЭЭ-процесса, такие как производительность, шероховатость обработанной поверхности и точностьобработки.

46

вого превращения Палатника. Данный критерий определяется как произведение основных физико-механическихпоказателей:

где с – удельная теплоемкость материала; ρ – плотность материала; λ – коэффициент теплопроводности материала; Тп – температура плавления материала.

По данному критерию также можно судить об эрозионной стойкости того или иного материала. Чем выше значение критерия, тем выше эрозионная стойкость материала.

Физико-механическиесвойствасталейпредставленывтабл. 4.1.

4.4. Стадии нагрева и охлаждения поверхностей электрода при электроэрозионной обработке

Исследования структуры и свойств поверхностного слоя обработанного материала после ЭЭО показали, что они близки к получаемым после термической обработки [19, 24]. Таким образом, для получения качественной поверхности после ЭЭ-обра- ботки необходимо учитывать условия нагрева и охлаждения поверхности единичной лунки.

При нагреве поверхностного слоя в процессе ЭЭО его свойства будут определяться величиной внутренних напряжений, возникающих в результате значительной разности температур. При определенных условиях напряжения могут превышать предел прочности обрабатываемого материала, что приведет к образованию сетки микротрещин.

При охлаждении поверхностного слоя заготовки в процессе ЭЭО существенно меняются его структура и свойства. Возможности воздействия на качество поверхности при этом сравнительно широки и определяются подбором состава рабочей жидкости, а также режимами ЭЭО.

На рис. 4.6 показан характер изменения температуры поверхности лунки при воздействии на поверхность электрического импульса длительностью tи.

48

время газовая полость постепенно уменьшается, и ее граница перемещается к центру лунки. Затем наступает момент, когда граница газовой полости, представляющая собой парожидкостную смесь, соприкоснется с периферийной частью поверхности лунки, имеющей высокую температуру. В результате часть рабочей жидкости газовой полости превращается в пар. Появление пузырьков пара приводит к пульсации размеров газовой полости [24].

Как отмечено в работе [25], учитывая специфику условий протекания процесса ЭЭО, сомнительно утверждать, что пленочное кипение жидкости в межэлектродном промежутке переходит в пузырьковое, как это имеет место при охлаждении открытых поверхностей. Также отмечалось, что с понижением температуры поверхности лунки рабочая жидкость все чаще соприкасается с ней и, испаряясь, интенсивно отводит тепло. Эта стадия охлаждения (тепловой режим V) происходит с наибольшей скоростью.

По мере охлаждения поверхности лунки до температуры кипения РЖ газовая полость ликвидируется, и жидкость начинает омывать всю поверхность лунки. Наступает последняя стадия охлаждения (тепловой режим VI), которая характеризуется конвективным теплообменом поверхности лунки с рабочей жидкостью, вступивших в непосредственный контакт. Скорость теплообмена в этот момент умеренная (см. рис. 4.6) и определяется в основном свойствами рабочей жидкости, величиной температурного перепада между поверхностью лунки и РЖ, а также скоростью перемещения рабочей жидкостив межэлектродномпромежутке.

4.5. Шероховатость поверхности при ЭЭО

Шероховатость поверхности оказывает значительное влияние на эксплуатационные свойства деталей.

После электроэрозионной обработки поверхность ЭД имеет некую шероховатость, образованную большим количеством взаимно пересекающихся лунок. Параметры шероховатости определяются размерами и геометрией двух групп неровностей: полученных в результате взаимного пересечения лунок и образовавшихся в ре-

50