книги / Современные подходы к технологии электроэрозионной обработки материалов

В табл. 1.4 даны сведения о некоторых рабочих жидкостях в соответствии с ГОСТом.

Как было отмечено [6], вид и состояние РЖ оказывают существенное влияние на технологические показатели ЭЭО. Уже на стадии формирования пробоя МЭХ сказываются диэлектрическая прочность рабочей среды и ее вязкость (µ). Вязкостью определяется 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), коллоидный кокс – сажа, различные соли, кислоты, частицы обрабатываемого материала и ЭИ.

Испаряясь с поверхности электродов, химические элементы рабочей среды под действием разряда вступают в соединения с окисными пленками, покрывающими электрод, и образуют новые химические соединения. Эти новые образования имеют различную прочность,

41

термостойкость и электрическую активность, они изменяют тепловой баланс разряда, что сказывается на скоростях удаления материала с заготовки и эрозионном износе ЭИ. На поверхности ЭИ образуются защитные пленки. Протекание всех этих процессов во многом определяется физико-химическими свойствами рабочей среды.

На следующей стадии, когда происходит удаление продуктов эрозии и продуктов распада из зон разряда, особое значение имеет вязкость рабочей среды. С увеличением вязкости степень захвата продуктов эрозии увеличивается и процесс их удаления улучшается. Однако если МЭХ мал, то движение вязкой рабочей среды затруднено, и процесс удаления ухудшается.

Вязкость РЖ оказывает существенное влияние на параметр шероховатости обработанной поверхности (рис. 1.17).

Рис. 1.17. График выбора РЖ по вязкости (для получения необходимой шероховатости обработанной поверхности):

1 – рекомендуемая область; 2 – неблагоприятная область

Одновременно с помощью РЖ охлаждается рабочая зона и предотвращается оплавление поверхности электродов.

Для каждого вида ЭЭО применяют РЖ, обеспечивающие оптимальный режим работы [6].

Негативное влияние на процесс ЭЭО оказывает нагрев РЖ (выше допустимого) в процессе работы станка. При изменении температуры РЖ возможно газовыделение из жидкости, ее разложение. С ростом

42

температуры РЖ происходит изменение и теплофизических характеристик электродов. Поэтому все современные ЭЭ-станки обязательно имеют в своем составе помимо системы тщательной очистки рабочей жидкости, устройства охлаждения, системы контроля температуры рабочей жидкости и поддержки температуры в заданных пределах [3].

1.11. Электроды-инструменты

Электроды-инструменты можно разделить на две группы [3]: профильные – объемные электроды и непрофильные электроды – проволока.

Профильные – объемные электроды разнообразны по форме и материалу, основные требования, предъявляемые к ним: высокая точность, малая шероховатость поверхностей, жесткость, малый износ при обеспечении высокой производительности.

Для изготовления профильных электродов применяют самые различные материалы, от которых зависят многие параметры ЭЭО.

В качестве материала ЭИ для ЭЭО используют медь, латунь, алюминий и его сплавы, серый чугун, графитизированные материалы, вольфрам и др.

Электроды-инструменты из меди (например, марок М1, М2, М3, АМФ и др.) дают возможность осуществлять ЭЭО на самых производительных режимах, обеспечивают наиболее стабильное течение процесса. Поскольку медь является легкообрабатываемым материалом, из нее легко изготавливать электроды практически любой сложной формы и профиля с высокой точностью на металлообрабатывающем оборудовании.

Эффективный метод получения медных электродов – метод электролитического осаждения, в частности, реализованный как система быстрой гальванопластики SEF, включающая экспресс-техно- логию получения рельефных 3D-электродов. Технология предусматривает использование специального оборудования, в котором происходит осаждение меди из электролита на помещенную в ванну с электродом мастер-модель с образованием твердого слоя из меди толщиной от 1 до 20 мм. Мастер-модель может быть изготовлена из самых простых материалов: дерева, гипса, глины, пластика и т.п.

43

Гальванопластика совершенно точно и быстро копирует мельчайшие детали поверхности сложных мастер-моделей, обеспечивая в конечном виде ЭИ для прошивных станков. Технология ускоряет подготовку производства, заменяя в ряде случаев дорогостоящие и сложные фрезерные работы по изготовлению ЭИ из меди.

Недостатком меди как материала ЭИ является ее высокая стоимость и сравнительно невысокая электроэрозионная стойкость.

Композиционные материалы из меди и вольфрама (например, марок эльконайт, МВ70 и др.) имеют очень высокую стойкость и предпочтительное применение для исполнения сложных работ. Недостатком данной группыматериалов является ихвысокая стоимость.

Электроды-инструменты из алюминия и его сплавов (например, марок АО, Д1, АК7, АЛ3 и др.) дают более низкие показатели по стабильности процесса и электроэрозионной стойкости, чем медные. Однако благодаря невысокой стоимости алюминия и сравнительной легкости получения литых и штампованных электродов сложной формы они находят применение при предварительной ЭЭО нагрубых режимах.

Электроды-инструменты из серого чугуна (например, СЧ-15-32 и др.) обладают эрозионной стойкостью, близкой к меди, но стабильный процесс обработки при этом наблюдается в сравнительно ограниченной области при небольшой мощности, подводимой к электродам. Они применяются, например, при обработке твердых сплавов вращающимся электродом-инструментом. Практика показывает ограниченную применимость ЭИ из чугуна.

Электроды-инструменты из графита, углеграфитового, графитизированного материала (например, марок ЭЭГ, МПГ6, МПГ7, АРВ2 и др.) широко используются при ЭЭО благодаря высокой электроэрозионной стойкости, хорошей обрабатываемости и низкой стоимости. По стабильности процесса электроды несколько уступают медным, особенно на чистовых режимах обработки. Ограничение применения графитизированного материала диктуется главным образом его сравнительно низкой механической прочностью, что не позволяет получать механообработкой сложнопрофильные тонкостенные конструкции ЭИ.

При использовании графитовых электродов для обработки сталей в ряде случаев удается получить практически их нулевой износ, так как в результате разложения рабочей жидкости на поверхности

44

графитового электрода в перерывах между импульсами непрерывно восстанавливается разрушенный графитовый слой.

Латунь, как правило, служит материалом трубчатых электродов, используемых для получения отверстий.

Непрофилированные электроды-проволоку обычно различают по материалу, диаметру и покрытиям. При ЭЭО используют проволоку латунную (d = 0,1…0,3 мм), медную (d = 0,2…0,3 мм), латунную с цинковым покрытием (d = 0,2…0,3 мм), вольфрамовую и молибденовую (d = 0,005…0,1 мм), но иногда идругихтипов идиаметров [3].

1.12. Расчетные формулы и зависимости параметров ЭЭО

Как было сказано ранее, основным инструментом при расчете ЭЭО являются импульсы тока, образующиеся специальным генератором импульсов. Характеристики ГИ в основном и определяют технологические показатели ЭЭО. Основными парами периодических импульсов тока являются: форма импульса, его длительность, частота следования

искважность. Импульсы характеризуются также крутизной переднего

изаднего фронтов, максимальным и средним значением тока и напряжения, максимальной и средней мощностью и энергией [3].

На рис. 1.18. приведена идеальная прямоугольная форма импульса.

Рис. 1.18. Форма и параметры идеального импульса:

tи (ton – в зарубежных источниках) – длительность включения импульса, мкс; tп (toff – в зарубежных источниках) – длительность выключения (паузы)

импульса, мкс; Т – период

45

Длительность включения импульса tи (ton – в зарубежных источниках) определяется временем его действия. При ЭЭО длительность импульса обычно лежит в пределах от 10–1…10–7 с. Для конкретных условий обработки должна подбираться такая длительность импульса, чтобы соблюдались необходимые требования по производительности, точности и шероховатости поверхности.

Пауза tп – промежуток времени между двумя последовательно идущими импульсами.

Период Т – промежуток времени, через который наблюдается повторение начала или окончания импульсов.

Скважность q – отношениепериода Т кдлительности импульса tи:

q = T . tи

Различают скважность импульсов по ЭДС и по току. В первом случае скважность характеризуется при холостом ходе генератора, во втором – при нагрузке. Диапазон применяемых скважностей при электроэрозионной обработке находится в пределах от 1 до 30.

Частота импульсов f (измеряется количеством импульсов в секунду) определяетсязаданными длительностью и скважностью импульсов:

f = 1 = 1 .

T qtи

Амплитуда импульса – наибольшие значения, которых достигают изменяющиеся во времени величины тока или напряжения. Амплитуда импульсов тока изменяется при ЭЭО от единиц до тысяч ампер, а амплитуда импульсного напряжения – от десятков до нескольких сотен вольт [10].

Энергия импульса – это работа, совершаемая единичным импульсом в МЭП, Дж. Как указывалось ранее,

Wи = ∫0tиU I dtи.

При технологических расчетах пользоваться этой величиной неудобно, и ее заменяют эквивалентной ей величиной средней мощности Рср или средним током Iср:

46

Pср = UсрIср.

Производительность ЭЭО оценивается отношением объема или массы удаленного материала ко времени обработки, но в случае про- волочно-вырезной ЭЭО под производительностью понимают отношение площади боковой поверхности паза ко времени обработки.

На производительность ЭЭО (Q) существенное влияние оказывают площадь обрабатываемой поверхности и состояние РЖ.

Для достижения высокой производительности необходимо правильно выбрать сочетание площади обрабатываемой поверхности и подводимой мощности.

Основные зависимости между технологическими характеристиками и параметрами ЭЭО представлены на рис. 1.19.

Рис. 1.19. Основные зависимости между технологическими характеристиками и параметрами ЭЭО

47

ГЛАВА 2. КОНСТРУКТИВНЫЕ ЭЛЕМЕНТЫ ЭЛЕКТРОЭРОЗИОННЫХ СТАНКОВ

2.1. Генераторы импульсов

Одним из важнейших элементов электроэрозионного оборудования является генератор импульсов (ГИ). ГИ необходим для создания импульсов электрической энергии, подводимых к межэлектродному промежутку.

Для ЭЭО используют различные схемы генераторов импульсов, отличающихся друг от друга принципом действия и производимым технологическим эффектом.

В настоящее время в ЭЭ-станках применяются релаксационные, магнитонасыщенные, ламповые и полупроводниковые генераторы. При расчете и выборе генератора исходят из условия получения формы и мощности импульса, обеспечивающих требуемые технологические показатели процесса. Как правило, черновую и чистовую обработку производят от одного и того же генератора [9, 13].

Первыми генераторами импульсов, устанавливающимися на электроэрозионные станки, были релаксационные RC-генераторы. Данные генераторы предложили использовать создатели метода ЭЭО Б.Р. Лазаренко и Н.И. Лазаренко.

Поскольку релаксационные генераторы имели ряд существенных недостатков, им на смену пришли ламповые генераторы, а также машинные генераторы с приводом от электродвигателей. Данные генераторы позволяют получать импульсы большей мощности, что позволяет производить обработку крупногабаритных заготовок с высокой производительностью. Основным недостатком машинных генераторов является их уровень шума при работе, поэтому в настоящее время они практически не применяются.

Современным этапом в развитии генераторов импульсов стало появление магнитонасыщенных генераторов и генераторов на полупроводниковых приборах (транзисторы и тиристоры).

48

2.1.1.Релаксационные генераторы

Кним относятся генераторы, у которых параметры импульса определяются состоянием межэлектродного промежутка. Это RC-генера- торы (рис. 2.1, а), RLC-генераторы (рис. 2.1, б) и RСL-генераторы (рис. 2.1, в); CL и LC-генераторы, у которых в зарядный или разрядный контуры включены индуктивные элементы и исключен токоограничивающий резистор (рис. 2.1, г); СС-генератор, у которого ограничение тока обеспечивается конденсатором в зарядной цепи (рис. 2.1, д).

Все релаксационные генераторы содержат зарядную и разрядную (на рис. 2.1 последняя выделена жирной линей) цепи. В зарядной цепи установлены источник питания ИП и выключатель К. В RC-, RLC-

иRCL-схемах, кроме того, предусмотрен токоограничивающий резистор R. Разрядная цепь содержит конденсатор С и межэлектродный промежуток МЭП, а в RCL-схеме (см. рис. 2.1, в) помимо этого в разрядную цепь включен индуктивный элемент L [13].

Рис. 2.1. Схемы релаксационных импульсных генераторов:

а– RC-генератор; б – RLC-генератор; в – RCL-генератор;

г– CL- и LC-генераторы; д – CC-генератор

Рассмотрим принцип работы RC-генератора с начального момента, когда конденсатор С не заряжен (см. рис. 2.1, а). При замыкании выключателя К конденсатор С через резистор R заряжается от

49

источника питания ИП [13]. В результате напряжение на конденсаторе С, а следовательно, и на межэлектродном промежутке МЭП повышается. Когда оно достигает пробивного для данного размера межэлектродного промежутка, происходит его пробой, и энергия, запасенная в конденсаторе С за время заряда, выделяется в МЭП. После этого напряжение на конденсаторе падает, и разряд через межэлектродный промежуток прекращается. С этого момента начинается период деионизации межэлектродного промежутка, т.е. восстановление его диэлектрической прочности, и возобновляется зарядка конденсатора С. Время разрядки конденсатора определяется постоянной времени τ = RC. Отсюда следует, что для нормального протекания процесса необходимо, чтобы время зарядки было больше периода деионизации МЭП, в противном случае возможен переход импульсного разряда в дуговой. Необходимое соотношение этих периодов осуществляется подбором сопротивления резистора R и емкости С. Чем их значения больше, тем медленнее происходит зарядка конденсатора.

По мере удаления металла с поверхности заготовки расстояние между электродами возрастает и достигает такой величины, при которой напряжение на конденсаторе оказывается недостаточным для разряда. Поэтому для поддержания электроэрозионного процесса необходимо сближать электроды до требуемого значения МЭП. При этом, если их сближать быстрее, чем происходит удаление металла под действием эрозии, то разряды будут происходить при низком напряжении, а следовательно, иметь малую энергию. Поэтому, несмотря на то, что частота следования разрядов возрастает, скорость съема металла снижается. В случае весьма малых расстояний между электродами паузы межу разрядами окажутся недостаточными для деионизации промежутка, и процесс перейдет в дуговой. Из вышеизложенного следует, что режим работы релаксационного RCгенератора определяется физическим состоянием межэлектродного промежутка. В таких генераторах значительная доля энергии теряется на нагрев резистора R. В связи с этим КПД таких генераторов не превышает 25 %, а мощность ограничивается 5–7 кВт. Поэтому RCгенераторы применяются в основном для чистовой обработки на электроискровом режиме.

50