Электроэрозионная обработка: принцип работы, микроскопический механизм и значение

Возможно, вы ежедневно сталкиваетесь с ЭЭО в производстве, но хорошо ли знаете её суть?

Во-первых, знаете ли вы историю возникновения? В 1943 г. Лазаренко и жена, академики АН СССР, изучая ظاهرة и причины эрозионного износа контактов коммутаторов от искрового разряда, обнаружили: мгновенная высокая температура искры плавит и испаряет местные участки металла, эродируя их.

Также используют услуги проводной эрозионной резки для быстрой и эффективной обработки в промышленном производстве деталей.

В чем принцип ЭЭО? Продолжаем чтение для понимания принципа электрообработки и её микроскопического механизма.

Какой метод обработки называется ЭЭО?

ЭЭО — метод обработки, плавящий и эродирующий материал за счет высокой температуры (мгновенная до 10 000 °C), возникающей в микроскопическом процессе импульсного разряда.

Микроскопический процесс импульсного разряда

ЭЭО — непрерывное удаление металла электроэрозией. Время импульса коротко, но процесс сложен из-за совместного действия электромагнетизма, термодинамики, гидродинамики. Этапы одного импульсного разряда:

Ионизация, пробой и формирование разрядного канала межэлектродного диэлектрика

При подаче импульсного напряжения между инструментальным электродом и деталью мгновенно возникает электрическое поле. Напряженность пропорциональна напряжению и обратно пропорциональна расстоянию. С ростом напряжения или уменьшением зазора напряженность растет.

Из-за микроскопической неровности поверхностей и малого зазора поле крайне неравномерно. Максимальная напряженность на выступах, ближайших к другому электроду. При достижении критической величины диэлектрик пробивается, сопротивление зазора падает от изоляции до долей Ома, ток зазора взлетает к пику.

Из-за малого диаметра канала плотность тока высока. Напряжение зазора падает от пробойного к удерживающему разряд (~20–30 В), ток растет от 0 до пикового значения.

Термическое разложение среды, плавление материала электрода, термическое расширение испарения

После ионизации и пробоя диэлектрика, формирующего разрядный канал, импульсный источник разгоняет электроны в канале к аноду, положительные ионы — к катоду.

Электрическая энергия → кинетическая → тепловая при столкновениях. Поверхности анода и катода в канале становятся мгновенными тепловыми источниками, достигая очень высоких температур. Высокая температура испаряет рабочую жидкость, затем термическое разложение испаряет и разлагает её.

Испаренные рабочая жидкость и металл резко увеличивают объем, образуя пузыри в зазоре разряда. Пузыри быстро термически расширяются с взрывными характеристиками.

Наблюдая процесс ЭЭО: пузыри выходят из зазора, рабочая жидкость почерневает, слышен тихий хрустящий звук взрыва.

Именно за счет термического расширения и локальных микровзрывов плавится и испаряется материал электрода, эродируется поверхность — достигается цель резки.

Обработка материала электродов

В процессе ЭЭО мгновенная высокая температура точки разряда на поверхности канала и электродов испаряет рабочую жидкость, плавит и испаряет металл. Термическое расширение генерирует высокие переходные давления.

Давление в центре канала максимально — испаренные газы расширяются наружу, расплавленный металл и пар под высоким давлением выталкиваются и выбрасываются в рабочую жидкость.

Под действием поверхностного натяжения и сцепления выброшенный материал минимизирует площадь поверхности и конденсируется в мелкие сферические частицы.

Когда расплавленный и испаренный металл уходит с поверхности электрода, он разлетается. Большая часть в рабочей жидкости сжимается в малые частицы, малая часть брызгается, наплавляется и адсорбируется на противоположном электроде.

Это явление взаимных брызг, наплавления и адсорбции можно использовать для уменьшения или компенсации износа инструментального электрода при определенных условиях.

Процесс эрозии и выброса металла намного сложнее.

Деионизация межэлектродной среды

С окончанием импульсного напряжения импульсный ток быстро падает к нулю, но еще некоторое время нужно для деионизации зазорной среды — рекомбинации заряженных частиц в канале в нейтральные.

Быстрое восстановление диэлектрической прочности среды в канале и снижение температуры поверхности электродов предотвращают дуговой разряд при повторном разряде в той же точке.

Следовательно, для нормального процесса ЭЭО между двумя импульсными разрядами должно быть достаточное пауза.

Кроме того, точки пробоя и разряда должны иметь пространство для дисперсии и переноса, иначе разряд локализуется в одной точке — легко образуется дуга.