Электроэрозионная обработка (EDM):механика, принципы работы и схемы (со схемой)

В этой статье мы обсудим электроэрозионную обработку (EDM):- 1. Введение в электроэрозионную обработку (EDM) 2. Механика EDM 3. Схемы и принципы работы EDM (со схемой) 4. Обработка поверхности и Точность обработки 5. Роль инструментальных электродов и диэлектрических жидкостей в электроэрозионной обработке 6. Влияние электроэрозионной обработки на металлические поверхности 7. Характеристики.

Содержание:

1. Введение в электроэрозионную обработку (EDM)
2. Механика электроэрозионной обработки
3. Схемы и принципы работы EDM (со схемой)
4. Чистота поверхности и точность обработки электроэрозионных станков
5. Роль инструментальных электродов и диэлектрических жидкостей в электроэрозионной обработке
6. Воздействие электроэрозионной обработки на металлические поверхности
7. Характеристики EDM

---

1. Введение в электроэрозионную обработку (EDM) :

Использование термоэлектрического источника энергии при разработке нетрадиционных технологий в значительной степени помогло в достижении экономичной обработки материалов с чрезвычайно низкой обрабатываемостью и сложных работ. Процесс удаления материала путем контролируемой эрозии с помощью серии электрических искр, широко известный как электроэрозионная обработка, был впервые начат в СССР примерно в 1943 году. Затем исследования и разработки довели этот процесс до современного уровня.

Когда разряд происходит между двумя точками анода и катода, сильное тепло, генерируемое рядом с зоной, плавится и испаряет материалы в зоне искрообразования. Для повышения эффективности обрабатываемая деталь и инструмент погружаются в диэлектрическую жидкость (углеводородное или минеральное масло). Было замечено, что если оба электрода изготовлены из одного и того же материала, электрод, подключенный к положительному выводу, обычно разрушается с большей скоростью. По этой причине заготовку обычно делают анодом. Между инструментом и поверхностями заготовки поддерживается подходящий зазор, известный как искровой разрядник.

Искры разряжаются с высокой частотой с помощью подходящего источника. Поскольку искра возникает в месте, где поверхность инструмента и обрабатываемой детали находится ближе всего, и поскольку пятно меняется после каждой искры (из-за удаления материала после каждой искры), искры распространяются по всей поверхности. Это приводит к равномерному снятию материала по всей поверхности, и, наконец, рабочая поверхность соответствует поверхности инструмента. Таким образом, инструмент производит необходимый отпечаток на заготовке.

Для поддержания заданного искрового промежутка обычно используется блок сервоуправления. Промежуток определяется по среднему напряжению на нем, и это напряжение сравнивается с заданным значением. Разница используется для управления серводвигателем. Иногда вместо серводвигателя используют шаговый двигатель. Конечно, для очень примитивных операций также возможно управление соленоидом, благодаря чему машина становится чрезвычайно недорогой и простой в сборке.

Частота искры обычно находится в диапазоне 200-500000 Гц, искровой разрядник составляет порядка 0,025-0,05 мм. Пиковое напряжение на промежутке поддерживается в диапазоне 30-250 вольт. МРР до 300 мм ³ с помощью этого процесса можно получить удельную мощность порядка 10 Вт / мм ³ / мин. Было обнаружено, что эффективность и точность рабочих характеристик улучшаются, когда обеспечивается принудительная циркуляция диэлектрической жидкости. Наиболее часто используемая диэлектрическая жидкость - керосин. Инструмент обычно изготавливается из латуни или медного сплава.

---

2. Механика электроэрозионной обработки:

Рисунок 6.52 показывает детали поверхностей электродов. Хотя поверхности могут казаться гладкими, неровности и неровности всегда присутствуют, как указано (конечно, с преувеличением). В результате локальный зазор меняется, и в данный момент он минимален в одной точке (скажем, A). Когда подходящее напряжение создается на инструменте и заготовке (катоде и аноде соответственно), устанавливается электростатическое поле достаточной силы, вызывающее холодную эмиссию электронов с катода в точке A.

Эти освобожденные электроны ускоряются по направлению к аноду. Набрав достаточную скорость, электроны сталкиваются с молекулами диэлектрической жидкости, разбивая их на электроны и положительные ионы. Образованные таким образом электроны также ускоряются и могут в конечном итоге вытеснить другие электроны из молекул диэлектрической жидкости. В конце концов, узкий столб ионизированных молекул диэлектрической жидкости образуется в точке А, соединяющей два электрода (вызывая лавину электронов, поскольку проводимость ионизированного столба очень велика, что обычно воспринимается как искра).

В результате этой искры создается ударная волна сжатия, и электроды нагреваются до очень высокой температуры (10 000–12 000 ° C). Такой высокий температура вызывает плавление и испарение электродных материалов, а расплавленные металлы удаляются механическим ударом, что приводит к образованию небольших кратеров на обоих электродах в точке A. Как только это происходит, зазор между электродами в точке A увеличивается, и следующая кратчайший разрыв находится где-то еще (скажем, B).

Следовательно, когда цикл повторяется, следующая искра возникает в точке B. Таким образом, искры блуждают по всей поверхности электрода и, в конечном итоге, процесс приводит к равномерному зазору. Таким образом, в зависимости от формы отрицательного электрода на другом электроде создается отпечаток.

Как правило, скорость удаления материала с катода сравнительно меньше, чем с анода, по следующим причинам:

(i) Импульс, с которым поток электронов ударяется об анод, намного больше, чем импульс потока положительных ионов, падающих на катод, хотя масса отдельного электрона меньше, чем масса положительных ионов.

(ii) Пиролиз жидкого диэлектрика (обычно углеводорода) создает тонкую пленку углерода на катоде.

(iii) На поверхности катода создается сжимающая сила. Поэтому обычно инструмент подключается к отрицательной клемме источника постоянного тока.

Если инструмент неподвижен относительно обрабатываемой детали, зазор увеличивается по мере удаления материала, что требует увеличения напряжения для возникновения искры. Чтобы избежать этой проблемы, инструмент питается с помощью сервопривода, который определяет величину среднего зазора и поддерживает его постоянным.

Ниже мы попытаемся теоретически определить скорость съема материала при электроэрозионной обработке. При этом, хотя количественные результаты не будут получены, многие важные особенности станут очевидными. Пока достаточно понять действие только одной искры.

Количество материала, удаляемого за один разряд, можно определить, учитывая диаметр кратера и глубину, до которой достигается температура плавления.

Для этого мы сделаем следующие предположения:

(i) Искра представляет собой однородный круглый источник тепла на поверхности электрода, и диаметр (=2a) этого круглого источника остается постоянным.

(ii) Поверхность электрода представляет собой полубесконечную область.

(iii) За исключением части источника тепла, поверхность электрода изолирована.

(iv) Скорость подводимого тепла остается постоянной на протяжении всего периода разряда.

(v) Свойства материала электрода не меняются с температурой.

(vi) Не учитывается испарение материала электрода.

На рисунке 6.53 показаны детали идеализированного источника тепла. В нашем анализе H- количество подводимого тепла (кал), θ =температура (° C), t =время (сек), k =теплопроводность (кал / см-сек- ° C), α =коэффициент температуропроводности (см ² / сек), t _d =продолжительность разряда (с), а θ _м =температура плавления (° C).

Из-за круговой симметрии температура в любой точке зависит от r и z. Уравнение теплопроводности -

Поскольку интуитивно видно, что глубина, на которой достигается температура плавления, является максимальной в центре, наш интерес представляет решение при r =0. Температура в точке на оси в конце разряда ( предполагая, что максимальная температура достигается при t =t _d поскольку в этот момент подвод тепла прекращается) определяется как -

Итак, очевидно, что Z указывает объем материала, удаляемого каждой искрой. На рис. 6.54a показаны теоретические значения Z для заданной энергии искры и постоянного диаметра искры для Cu, Al и Zn в качестве материалов электродов. На рисунке 6.54b изображен реальный характер изменения объема кратера при t _d . для разных энергий искры. Тенденции очень похожи.

Одна важная особенность, которая становится очевидной из этих результатов, заключается в том, что удаление материала очень низкое при небольшом времени разряда и увеличивается с увеличением t _d . Затем, достигнув пикового значения, оно внезапно падает до нуля. Также было установлено, что количество материала, удаляемого за один разряд, сильно зависит от температуры плавления материала.

Эффект кавитации в процессе механического удаления также важен. График зависимости mrr во время одной искры от времени показан на рис. 6.55. Очевидно, что mrr является максимальным, когда давление ниже атмосферного, что свидетельствует о важности кавитации.

Для получения приблизительной оценки были разработаны эмпирические зависимости для скорости съема материала во время электроэрозионной обработки. Поскольку размер кратера зависит от энергии искры (при условии, что все другие условия остаются неизменными), глубина и диаметр кратера определяются как -

В связи с этим мы приняли условия среднего искрообразования.

MRR также сильно зависит от циркуляции диэлектрической жидкости. Без принудительной циркуляции частицы износа многократно плавятся и снова соединяются с электродом. На рис. 6.56 показан характер характеристик MRR без и с принудительной циркуляцией диэлектрика.

После завершения разряда диэлектрическая среда вокруг последней искры должна деионизироваться. Для этого напряжение на промежутке должно поддерживаться ниже напряжения разряда до завершения деионизации; в противном случае ток снова начинает течь через зазор в месте предыдущего разряда. Время, необходимое для полной деионизации, зависит от энергии, выделенной предыдущим разрядом. Большее выделение энергии приводит к увеличению времени деионизации.

---

3. Схемы и принципы работы EDM (со схемой):

Существует несколько принципиально различных электрических цепей, обеспечивающих пульсирующий постоянный ток через зазор рабочего инструмента. Хотя рабочие характеристики отличаются, почти во всех таких схемах конденсатор используется для хранения электрического заряда до того, как разряд произойдет через промежуток. Пригодность схемы зависит от условий обработки и требований.

Обычно используемые принципы подачи пульсирующего постоянного тока можно разделить на следующие три группы:

(i) Схема релаксации резистивно-емкостного сопротивления с постоянным источником постоянного тока.

(ii) Роторный импульсный генератор.

(iii) Контролируемая импульсная схема.

(i) Схема релаксации сопротивления-емкости:

Схема релаксации сопротивление-емкость использовалась, когда впервые были разработаны электроразрядные машины. На рисунке 6.57a показана простая RC-цепь. Как видно из этого рисунка, конденсатор C (который можно изменять) заряжается через переменное сопротивление R от источника постоянного напряжения V ₀ .

Напряжение на зазоре (которое почти такое же, как и на конденсаторе) V изменяется со временем в соответствии с соотношением, где t обозначает время, начиная с момента V ₀ применены.

Итак, V приблизится к V ₀ асимптотически, как показано на рис. 6.57b, если это разрешено. Если рабочий зазор инструмента и диэлектрическая жидкость таковы, что может возникнуть искра, когда напряжение на зазоре достигнет значения V _d (обычно называемое разрядным напряжением), возникает искра, полностью разряжающая конденсатор всякий раз, когда напряжение на зазоре инструмента (В) достигает V _d .

Время разряда намного меньше (около 10%), чем время зарядки, а частота искрения (v) приблизительно определяется следующим уравнением (поскольку время, необходимое для деионизации, также очень мало при нормальных обстоятельствах) -

Таким образом, для обеспечения максимальной мощности напряжение разряда должно составлять 72% от напряжения питания V ₀ . .

Если мы предположим, что количество материала, удаляемого за искру, пропорционально энергии, выделяемой за искру, то mrr может быть выражено как -

(ii) Роторный импульсный генератор:

Схема релаксации для генерации искры хоть и проста, но имеет определенные недостатки. Из них важным недостатком является то, что MRR невысокий. Для увеличения скорости съема используется генератор импульсов для генерации искры. На рисунке 6.59 показана принципиальная схема такой системы. Конденсатор заряжается через диод в течение первого полупериода. В течение следующего полупериода сумма напряжений, генерируемых генератором и заряженным конденсатором, подается в зазор рабочего инструмента.

Рабочая частота - это частота генерации синусоидальной волны, которая зависит от скорости двигателя. Хотя MRR выше, такая система не обеспечивает хорошего качества поверхности.

(iii) Контролируемые импульсные цепи:

В двух рассмотренных нами системах не предусмотрено автоматическое предотвращение протекания тока при возникновении короткого замыкания. Чтобы добиться такого автоматического управления, в качестве переключающего устройства используется вакуумная лампа (или транзистор). Эта система известна как управляемая импульсная схема. На рисунке 6.60 схематично показана такая система. Во время искрения ток, протекающий через зазор, исходит от конденсатора.

Когда ток течет через зазор, трубка клапана (VT) смещается, чтобы отключиться, и ведет себя как бесконечное сопротивление. Контроль смещения осуществляется с помощью электронного управления (EC). Как только ток в зазоре прекращается, проводимость трубки увеличивается, позволяя протеканию тока заряжать конденсатор для следующего цикла.

Схема может быть упрощена, а стабильность работы улучшена, если ток пропускается циклически с заданной частотой. Это можно сделать, управляя смещением с помощью осциллятора. В этом случае конденсатор не нужен. На рисунке 6.61 показана такая схема, использующая транзистор.

---

4. Чистота поверхности и точность обработки электроэрозионных станков:

Поскольку удаление материала в электроэрозионном электродвигателе достигается за счет образования кратеров из-за искр, очевидно, что большие размеры кратеров (особенно глубина) приводят к шероховатости поверхности. Таким образом, размер кратера, который в основном зависит от энергии / искры, определяет качество поверхности. На рисунке 6.62 показано, как H _rms (среднеквадратичное значение неровности поверхности) зависит от C и V ₀ .

Глубина кратера (h _c ) можно приблизительно выразить через энергию, выделяемую на искру (E), как -

Зависимость чистоты поверхности от энергии импульса E и сравнение чистоты поверхности с обработкой, полученной обычными способами, показаны на рис. 6.63. Много усилий было потрачено на определение подходящего соотношения между скоростью съема материала и качеством обработки поверхности. Но очень надежного отношения общего применения еще не возникло. Однако mrr и неровность поверхности при обработке стали в нормальных условиях примерно связаны следующим образом -

Где H _rms является среднеквадратическим значением неровности поверхности в микронах, а Q - степенью съема материала в мм ³ / мин.

Было обнаружено, что принудительная циркуляция диэлектрика в целом улучшает качество поверхности. Сечения поверхности латунных электродов, полученные электроэрозионным методом с принудительной циркуляцией и без (напряжение 40 В, ток 0,2 А, частота 1,12 кГц), показаны на рис. 6.64. Понятно, что принудительная циркуляция приводит к значительному улучшению качества поверхности.

---

5. Роль инструментальных электродов и диэлектрических жидкостей в электроэрозионной обработке:

Электроды играют чрезвычайно важную роль в процессе электроэрозионной обработки, поэтому для достижения лучших результатов следует помнить об определенных аспектах электрода инструмента.

а. Износ электродов инструмента:

Во время электроэрозионной обработки электрод (то есть инструмент), как уже упоминалось, также подвергается эрозии из-за искрообразования. Материалы, обладающие хорошими характеристиками износа электродов, такие же, как и материалы, которые обычно трудно обрабатывать. Одним из основных материалов, используемых для изготовления инструмента, является графит, который напрямую переходит в паровую фазу, не плавясь. Коэффициент износа (r _Q ), определяемая соотношением материала, удаленного из работы, к материалу, удаленному из инструмента, оказывается связанным с r _θ (=рабочая температура плавления / температура плавления инструмента) как -

б. Материал электрода:

Выбор материала электродов зависит от:

(i) Скорость съема материала,

(ii) коэффициент износа,

(iii) Простота формирования электрода,

(iv) Стоимость.

Наиболее часто используемые электродные материалы - это латунь, медь, графит, сплавы A1, сплавы медь-вольфрам и сплавы серебра-вольфрама.

Для изготовления электродов используются следующие методы:

(i) Обычная обработка (используется для меди, латуни, сплавов Cu-W, сплавов Ag-W и графита),

(ii) Литье (используется для литья под давлением сплава на основе Zn, сплавов Zn-Sn и ​​сплавов Al),

(iii) Металлическое напыление

(iv) Формование прессом.

Отверстия для потока обычно предусмотрены для циркуляции диэлектрика, и эти отверстия должны быть как можно больше для черновой резки, чтобы обеспечить большую скорость потока при низком давлении.

c. Диэлектрические жидкости:

Основные требования к идеальной диэлектрической жидкости:

(i) Низкая вязкость,

(ii) Отсутствие токсичных паров,

(iii) Химическая нейтральность,

(iv) Отсутствие склонности к воспалительным процессам,

(v) Низкая стоимость.

Обычная вода обладает почти всеми этими свойствами, но, поскольку она вызывает ржавление в работе и в машине, ее не используют. Другая причина, по которой не рекомендуется употребление воды, заключается в следующем. Электроды постоянно находятся под некоторой разностью потенциалов, и из-за хорошей проводимости воды процесс ECM начинает искажать заготовку. Кроме того, энергия тратится зря. Однако в некоторых случаях используется деионизированная вода.

Наиболее часто используемый тип жидкости - углеводородное (нефтяное) масло. Керосин, жидкий парафин и силиконовые масла также используются в качестве диэлектрических жидкостей.

---

6. Воздействие электроэрозионной обработки на металлические поверхности:

Высокая температура, создаваемая искрами, вызывает плавление и испарение металла, и, очевидно, эта высокая температура влияет на свойства мелких слоев (2,5-150 мкм) обработанной поверхности.

Самый внешний слой быстро охлаждается, поэтому он очень твердый. Слой непосредственно под ним находится в несколько закаленном состоянии. На рис. 6.67 показано изменение твердости в зависимости от глубины как для черновой, так и для чистовой электроэрозионной обработки стали. Понятно, что при чистовой обработке такое упрочнение не заметно. Однако внешний слой закален, а твердость невысока.

Упрочнение поверхностного слоя во время электроэрозионной обработки обеспечивает лучшую износостойкость. Однако усталостная прочность снижается из-за микротрещин, которые образуются в поверхностном слое при охлаждении. На рисунке 6.68 показано сравнение усталостной прочности идентичных деталей, изготовленных обычным фрезерованием и электроэрозионным фрезерованием. Свойства тонких поверхностных слоев не сильно влияют на предел прочности. Их структура трансформируется, а из-за искр в некоторой степени изменяется их химический состав. Обычно они снижают сопротивление эрозии.

---

7. Характеристики EDM:

---