Электроэрозионная обработка (ЭЭО): механика, принципы и схемы

В этой статье рассматривается электроэрозионная обработка (ЭЭО): 1. Введение в ЭЭО 2. Механика процесса 3. Схемы и принципы работы (со схемами) 4. Шероховатость и точность 5. Роль инструментального электрода и диэлектрических жидкостей 6. Влияние на поверхность металла 7. Характеристики.

Содержание:

1. Введение в электроэрозионную обработку (ЭЭО)
2. Механика ЭЭО
3. Схемы и принципы работы ЭЭО (со схемами)
4. Шероховатость и точность обработки ЭЭО
5. Роль инструментального электрода и диэлектрических жидкостей в ЭЭО
6. Влияние ЭЭО на поверхности металлов
7. Характеристики ЭЭО

---

1. Введение в электроэрозионную обработку (ЭЭО)

Использование термоэлектрической энергии в нетрадиционных методах позволило экономично обрабатывать материалы с крайне низкой резаемостью и сложные детали. Процесс удаления материала управляемым эрозионным износом через серию электрических искр, известный как электроэрозионная обработка, впервые был применен в СССР около 1943 года. С тех пор исследования и разработки привели процесс к современному уровню.

При разряде между анодом и катодом интенсивное тепло в зоне искры плавя и испаряет материал. Для эффективности деталь и инструмент погружают в диэлектрическую жидкость (углеводородные или минеральные масла). Наблюдается: если оба электрода из одного материала, анод (подключенный к плюсу) изнашивается быстрее. Поэтому деталь обычно делают анодом. Между инструментом и деталью поддерживается заданный зазор — искровой зазор.

Искры генерируются с высокой частотой подходящим источником. Разряд происходит там, где поверхности ближе всего, и после каждой искры точка смещается (из-за удаления материала), поэтому искры «путешествуют» по всей поверхности. Это обеспечивает равномерное удаление, и поверхность детали воспроизводит форму инструмента.

Для поддержания заданного искрового зазора обычно используют сервоконтроллер. Зазор 감시руется через среднее напряжение на нем, сравнивается с уставкой, разница управляет сервоприводом. Иногда применяют шаговые двигатели, для примитивных операций — соленоидный контроль, что делает станок очень дешевым и простым.

Частота искр обычно 200–500 000 Гц, искровой зазор 0,025–0,05 мм. Пиковое напряжение на зазоре 30–250 В. Скорость удаления материала до 300 мм³/мин, удельная мощность ~10 Вт·мин/мм³. Эффективность и точность растут при принудительной циркуляции диэлектрика. Наиболее распространенный диэлектрик — керосин. Инструмент обычно из латуни или медного сплава.

---

2. Механика ЭЭО

Рисунок 6.52 показывает детали поверхностей электродов. Казалось бы, они гладкие, но всегда есть неровности (преувеличенно). Локальный зазор меняется, и в данный момент минимум в точке А. При накоплении напряжения между инструментом (катодом) и деталью (анодом) создается электростатическое поле, вызывающее холодную электронную эмиссию с катода в точке А.

Освобожденные электроны ускоряются к аноду. Набирая скорость, они сталкиваются с молекулами диэлектрика, расщепляя их на электроны и положительные ионы. Новые электроны также ускоряются и могут выбивать еще электроны. В итоге образуется узкий столбик ионизированных молекул диэлектрика в точке А, соединяющий электроды (лавина электронов, так как проводимость ионизированного столбца велика — это и видно как искру).

В результате искры возникает сжательная ударная волна и очень высокая температура на электродах (10 000–12 000 °C). Она вызывает плавление и испарение материалов, расплавленные металлы удаляются механическим взрывом, образуя мелкие кратеры на обоих электродах в точке А. Как только это происходит, зазор в точке А увеличивается, и следующая минимальная точка зазора где-то еще (точка Б).

При повторении цикла следующая искра проходит в точке Б. Таким образом, искры бродят по всей поверхности, и в итоге процесс дает равномерный зазор. В зависимости от формы отрицательного электрода на другом создается требуемый рельеф.

Обычно скорость удаления материала с катода меньше, чем с анода, по причинам:

(i) Импульс потока электронов, ударяющих в анод, гораздо больше, чем импульс потока положительных ионов на катод, хотя масса электрона меньше массы иона.

(ii) Пиролиз диэлектрика (обычно углеводород) создает тонкий углеродистый слой на катоде.

(iii) На поверхности катода возникает сжимающее усилие. Поэтому инструмент обычно подключают к отрицательному полюсу источника постоянного тока.

Если инструмент неподвижен относительно детали, зазор растет по мере удаления материала, требуя повышения напряжения для инициации искр. Чтобы избежать этого, инструмент подают сервоприводом, который чувствует средний зазор и держит его постоянным.

Далее попытаемся теоретически определить скорость удаления материала при ЭЭО. Количественных результатов не получим, но прояснится много важного. Достаточно понять эффект одной искры.

Объем удаленного материала от одного разряда определяется диаметром кратера и глубиной, до которой достигнута температура плавления.

Для этого делаем предположения:

(i) Искра — равномерный круглый тепловой источник на поверхности электрода, диаметр (=2a) постоянный.

(ii) Поверхность электрода — полубесконечная область.

(iii) За исключением области теплового источника, поверхность изолирована.

(iv) Скорость теплового входа постоянна в течение разряда.

(v) Свойства материала электрода не меняются с температурой.

(vi) Испарение материала электрода пренебрегается.

Рисунок 6.53 показывает идеализированный тепловой источник. В анализе: H — тепловой вход (кал), θ — температура (°C), t — время (с), k — теплопроводность (кал/см·с·°C), α — температуропроводность (см²/с), t_d — длительность разряда (с), θ_m — температура плавления (°C).

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

Интуитивно ясно, что глубина, до которой достигается температура плавления, максимальна в центре (r = 0). Температура в точке на оси в конце разряда (максимум при t = t_d, так как тепловой вход прекращается) задается формулой:

Значение Z указывает на объем материала, удаляемого каждой искрой. Рис. 6.54а показывает теоретические значения Z для заданной энергии искры и постоянного диаметра для Cu, Al, Zn. Рис. 6.54б — реальная зависимость объема кратера от t_d при разных энергиях. Тренды похожи.

Важный вывод: удаление материала очень мало при малом времени разряда, растет с t_d, достигает пика, затем резко падает к нулю. Также установлено, что удаление на разряд сильно зависит от температуры плавления материала.

Эффект кавитации в механическом удалении тоже важен. Скорость удаления при одной искре во времени показана на рис. 6.55. Максимум при давлении ниже атмосферного — важность кавитации.

Для грубой оценки разработаны эмпирические соотношения скорости удаления материала при ЭЭО. Размер кратера зависит от энергии искры (при прочих равных), глубина и диаметр кратера:

Здесь предполагаются средние условия искрения.

Скорость удаления также сильно зависит от циркуляции диэлектрика. Без принудительной циркуляции изношенные частицы многократно плавятся и соединяются с электродом. Рис. 6.56 показывает характеристики скорости удаления без и с принудительной циркуляцией.

После разряда диэлектрик вокруг последней искры должен деионизироваться. Для этого напряжение на зазоре держат ниже разрядного до полной деионизации; иначе ток снова пойдет через зазор в месте предыдущего разряда. Время деионизации зависит от энергии предшествующего разряда. Больше энергия — дольше деионизация.

---

3. Схемы ЭЭО и принципы работы (со схемами)

Существует несколько принципиально разных электрических схем для подачи пульсирующего постоянного тока в зазор инструмент-деталь. Хотя операционные характеристики разные, почти во всех схемах конденсатор накапливает заряд перед разрядом через зазор. Подбор схемы зависит от условий и требований обработки.

Распространенные принципы подачи пульсирующего тока делятся на три группы:

(i) RC-релаксационная схема с постоянным источником.

(ii) Генератор вращательных импульсов.

(iii) Управляемая импульсная схема.

(i) RC-релаксационная схема:

Использовалась при первых ЭЭО-станках. Рисунок 6.57а — простая RC-схема. Конденсатор C (регулируемый) заряжается через переменное сопротивление R от источника постоянного напряжения V₀.

Напряжение на зазоре (почти как на конденсаторе) V меняется во времени по закону, где t — время от момента подачи V₀.

V асимптотически стремится к V₀ (рис. 6.57б), если не происходит разряд. Если зазор и диэлектрик позволяют искру при напряжении V_d (разрядное напряжение), конденсатор полностью разряжается каждый раз, когда V достигает V_d.

Время разряда намного меньше (около 10%) времени заряда. Частота искрения (ν) приближенно:

Таким образом, для максимальной передачи мощности разрядное напряжение должно быть 72% от напряжения питания V₀.

Если считать удаление материала на искру пропорциональной энергии разряда, скорость удаления выражается как:

(ii) Генератор вращательных импульсов:

Релаксационная схема проста, но имеет недостатки: низкая скорость удаления. Для её повышения используют импульсный генератор. Рисунок 6.59 — схема такой системы. Конденсатор заряжается через диод в первой полуволне. Во второй полуволне сумма напряжений генератора и заряженного конденсатора подается на зазор инструмент-деталь.

Рабочая частота — частота синусоиды, зависящая от скорости мотора. Скорость удаления выше, но качество поверхности хуже.

(iii) Управляемые импульсные схемы:

В первых двух системах нет автоматического предотвращения тока при коротком замыкании. Для этого используют электронную лампу (или транзистор) как ключевое устройство. Это управляемая импульсная схема. Рисунок 6.60 — схема. Во время искрения ток через зазор идет от конденсатора.

Когда ток течет через зазор, электронная лампа (VT) смещается в забор и ведет себя как бесконечное сопротивление. Смещение управляется электронным блоком (EC). Как только ток в зазоре прекращается, проводимость лампы растет, позволяя току заряжать конденсатор для следующего цикла.

Схему можно упростить и повысить стабильность, если пропускать ток циклически с заданной частотой. Это делается управлением смещения с помощью генератора. В этом случае конденсатор не нужен. Рисунок 6.61 — такая схема на транзисторе.

---

4. Шероховатость и точность обработки ЭЭО

Так как удаление материала происходит через кратеры от искр, большие кратеры (особенно глубина) дают грубую поверхность. Размер кратера, зависящий от энергии на искру, контролирует качество поверхности. Рис. 6.62 показывает зависимость H_rms (среднеквадратичная неровность) от C и V₀.

Глубина кратера (h_c) примерно выражается через энергию на искру (E):

Зависимость шероховатости от импульсной энергии E и сравнение с традиционными процессами на рис. 6.63. Много усилий потрачено на поиск связи между скоростью удаления и качеством поверхности. Надежной общей формулы пока нет. Однако при обработке стали в обычных условиях скорость удаления и неровность примерно связаны так:

где H_rms — среднеквадратичная неровность в микронах, Q — скорость удаления в мм³/мин.

Принудительная циркуляция диэлектрика обычно улучшает шероховатость. Поперечные сечения поверхности латунного электрода при ЭЭО с и без принудительной циркуляции (40 В, 0,2 А, 1,12 кГц) на рис. 6.64. Ясно, что принудительная циркуляция значительно улучшает финиш.

---

5. Роль инструментального электрода и диэлектрических жидкостей в ЭЭО

Электроды играют ключевую роль в ЭЭО, поэтому определенные аспекты инструментального электрода нужно учитывать для лучших результатов.

а. Износ инструментального электрода:

Во время ЭЭО электрод (инструмент) тоже изнашивается из-за искрения. Материалы с хорошей износостойкостью — те же, что труднообрабатываемые. Основной материал инструмента — графит, который переходит в паровую фазу без плавления. Коэффициент износа (r_Q), отношение удаленного материала детали к удаленному материалу инструмента, связан с r_θ (=температура плавления детали / температура плавления инструмента) как:

б. Материал электрода:

Выбор материала электрода зависит от:

(i) Скорости удаления материала,

(ii) Коэффициента износа,

(iii) Легкости формовки электрода,

(iv) Стоимости.

Наиболее применяемые материалы: латунь, медь, графит, алюминиевые сплавы, вольфрамомедные и вольфрамосеребряные сплавы.

Методы изготовления электродов:

(i) Традиционная обработка (медь, латунь, Cu-W, Ag-W, графит),

(ii) Литье (цинковые сплавы, Zn-Sn, Al-сплавы),

(iii) Металлическое напыление,

(iv) Прессовка.

Технологические отверстия для циркуляции диэлектрика делают максимально большими для черновых проходов, чтобы обеспечить большие расходы при низком давлении.

в. Диэлектрические жидкости:

Основные требования к идеальному диэлектрику:

(i) Низкая вязкость,

(ii) Отсутствие токсичных паров,

(iii) Химическая неактивность,

(iv) Негорючесть,

(v) Низкая стоимость.

Обычная вода почти всем соответствует, но вызывает коррозию детали и станка, поэтому не используется. Другая причина: электроды постоянно под потенциалом, и из-за хорошей проводимости воды начинается электрохимическая обработка (ЭХО), искажающая деталь. Также теряется мощность. В некоторых случаях используют деионизированную воду.

Наиболее распространенный тип — углеводородные (нефтяные) масла. Также применяют керосин, жидкий парафин, силиконовые масла.

---

6. Влияние ЭЭО на поверхности металлов

Высокая температура искр вызывает плавление и испарение металла, и эта температура влияет на свойства тонких поверхностных слоев (2,5–150 мкм).

Внешний слой быстро закаляется и становится очень твердым. Слой под ним в закаленном состоянии. Рис. 6.67 — распределение твердости по глубине при черновой и финишной ЭЭО стали. При финишной обработке закалка не так выражена. Однако внешний слой отпущен, твердость низка.

Закалка поверхностного слоя при ЭЭО улучшает износостойкость. Но предел усталости снижается из-за микротрещин, образующихся при закалке. Рис. 6.68 — сравнение пределов усталости одинаковых деталей, сделанных фрезеровкой и ЭЭО. Свойства тонких слоев слабо влияют на предел прочности на растяжение. Их структура трансформируется, химический состав меняется из-за искр. Это обычно снижает эрозионную стойкость.

---

7. Характеристики ЭЭО

---