Рабочие параметры и управляющие воздействия в процессах электроэрозионной технологии

Основными показателями для ЭЭО, как и для других технологических процессов, являются производительность, точность и качество.

Для всех видов ЭЭО, за исключением разрезания непрофилированным электродом, производительность процесса определяется как величина объема или массы металла, удаленного за единицу времени обработки. Для разрезания непрофилированным электродом за производительность процесса принимают площадь боковой поверхности паза, образованную за единицу времени. Это объясняется тем, что объем металла, удаляемый за счет эрозии и представляющий собой объем образующегося паза, невелик.

Не каждый из импульсов, возникающих в межэлектродном промежутке, вызывает эрозию заготовки, а возникающие акты эрозии даже при равенстве средних энергий вызвавших их импульсов не обязательно протекают с одинаковой интенсивностью. Это объясняется тем, что условия протекания того или иного импульса различаются вследствие относительного положения и характера микронеровностей электродов, мгновенного значения межэлектродного зазора, состояния диэлектрической среды и др.

Поэтому производительность ЭЭО зависит от уменьшения доли холостых импульсов, от повышения коэффициента использования энергии каждого импульса, от мощности и частоты следования импульсов.

Рассмотрим влияние отдельных параметров процессов на названные факторы и в конечном счете на производительность.

Площадь обработки является одним из существенных технологических параметров. При малых значениях обрабатываемой площади доля холостых импульсов будет относительно велика. Это объясняется тем, что значительная часть площади обработки будет в этом случае перекрыта газовыми пузырями, оставшимися после предыдущих разрядов, поскольку время существования газового пузыря в 5…10 раз больше продолжительности импульса разряда. Пробой газового пузыря требует большей напряженности электрического поля, чем пробой межэлектродной среды, поэтому для возникновения импульса, вызывающего эрозию заготовки, имеется меньше возможностей.

При увеличении площади обработки производительность сначала возрастает вследствие уменьшения доли холостых импульсов и улучшения использования их энергии, а при дальнейшем увеличении этой площади начинает убывать. Это происходит вследствие ухудшения условий удаления продуктов эрозии из межэлектродного промежутка, что приводит к затруднению пробоя и увеличению доли холостых импульсов.

Мощность подводимых импульсов также существенно влияет на производительность ЭЭО. С ростом этой мощности растет интенсивность расплавления металла заготовки, но это ведет к соответствующему увеличению количества продуктов эрозии в межэлектродном промежутке, что препятствует съему металла. Таким образом, для той или иной площади обработки, определяющей условия удаления продуктов эрозии, существует свое оптимальное значение подводимой мощности, обеспечивающее максимум производительности. Выбор сочетания площади обработки и мощности осуществляется с помощью построенных в указанных координатных осях пространственных номограмм, которые приводятся в соответствующих справочниках.

Увеличение глубины отверстия при прошивании существенно влияет на производительность ЭЭО, главным образом, вследствие затруднения удаления продуктов эрозии и поступления свежей диэлектрической жидкости в межэлектродный промежуток. Наличие большого количества застывших частиц металла вызывает затраты энергии на их вторичное расплавление, что вызывает увеличение доли холостых импульсов. Удалению этих частиц из межэлектродного промежутка может способствовать принудительная прокачка рабочей жидкости через межэлектродный промежуток под сравнительно большим давлением, достигающим сотен Па. Это обуславливает необходимость повышения жесткости технологической системы и является ограничивающим фактором при обработке тонкостнных конструкций или при использовании прошивающих инструментов относительно малых диаметров.

Свойства рабочей среды сильнейшим образом влияют на предельно допустимую мощность импульса и на полезное использование его энергии. Для импульсов с малой энергией можно получить высокую для этих условий производительность, используя техническую и дистиллированную воду, а также керосин. При обработке в электроимпульсном режиме с большой энергией и длительностью импульса следует применять тяжелые фракции перегонки нефти, такие как дизельное топливо и различные масла с высокой температурой возгорания.

Степень загрязненности рабочей жидкости определяется процентным отношением содержащихся в ней продуктов обработки ко всей массе этой жидкости. Для стабильности производительности необходимо следить, чтобы для черновых режимов степень загрязненности не превышала 4…5%, а для чистовых — 2…3%.

Частицы металла, оказавшиеся в рабочей жидкости, влияют на ее вязкость и зольность. Поэтому помимо фильтрации жидкости необходимо периодически ее полностью заменять.

Объем металла, удаляемого с заготовки одним импульсом, зависит от теплофизических свойств металла, таких как температура плавления и испарения, скрытая теплота плавления и испарения, температуропроводность и энтальпия в жидком состоянии. Величина этого объема определяет свойство металла, называемое обрабатываемостью с помощью ЭЭО. Коэффициент обрабатываемости металла с помощью ЭЭО определяется как отношение его удаленной массы к массе металла, удаленного с заготовки из стали 45 при тех же условиях. Например, вольфрам при прямой полярности характеризуется коэффициентом обрабатываемости 0,7; молибден — 0,8; алюминий — 1,5. Чугун обладает низкой обрабатываемостью вследствие включений графита, имеющего высокую эрозионностойкость. Жаропрочные сплавы вследствие низкой температуропроводности и энтальпии в расплавленном состоянии способны использовать для образования лунки большую долю энергии импульса и, следовательно, обладают лучшей обрабатываемостью, чем сталь 45.

Повышение производительности может быть достигнуто, если вести обработку заготовки одновременно несколькими электродами-инструментами. Обработка несколькими электродами, питающимися от одного генератора, называется многоэлектродной, а если электроды питаются каждый от своего генератора, то такая обработка называется многоконтурной.

При электроконтактной обработке в воздушной среде вследствие условий теплообмена, отличающихся от теплообмена с жидкой средой, электроды нагреваются до высоких температур. Для такой обработки используются сильные токи, и производительность оказывается практически прямо пропорциональной силе используемого тока. Для оценки достигаемой при этом производительности можно указать, что она оказывается в 5…10 раз выше, чем при обработке резанием.

Точность при ЭЭО характеризуется такими же показателями систематических и случайных погрешностей, что и при механической обработке резанием. Однако, при ЭЭО деформации технологической системы практически не зависят от режимов обработки, но подвержены влиянию давления, возникающего при принудительной прокачке рабочей среды.

Точность изготовления деталей при ЭЭО зависит от погрешностей первоначального изготовления элемектрода-инструмента, от его износа во время процесса ЭЭО и от точности воспроизведения на заготовке параметров, определяемых фактическими размерами и формой электрода-инструмента.

Отличительной особенностью ЭЭО является то, что износ профилированного электрода-инструмента, используемого для формирования методом копирования деталей достаточно сложной конфигурации, приводит к изменениям не только его размеров, но и формы. Объясняется это тем, что износ инструмента на выпуклых и вогнутых участках, особенно на вершинах внешних и внутренних углов, происходит с существенно разной интенсивностью. В первом случае интенсивность износа выше, а во втором ниже, чем средняя интенсивность износа на прямолинейных участках профиля. Причиной такой неравномерности является неодинаковая концентрация разрядных импульсов, приходящихся на единицу площади электрода-инструмента. Из геометрических свойств профиля инструмента следует, что на единицу его площади у вершин внешних углов или на выпуклых участках приходится больше импульсов, чем у вершин внутренних углов или на вогнутых участках. Поэтому в процессе ЭЭО углы профиля скругляются, и внешние углы и выпуклые участки заглубляются, а внутренние углы и вогнутые участки, наоборот, относительно выпячиваются.

При прошивке отверстий цилиндрическим электродом-инструментом, его низшие части, участвующие в процессе и подвергающиеся эрозии в течение более длительного времени, чем верхние, изнашиваются в большей степени. Поэтому рабочая часть инструмента приобретает коническую форму. Для получения цилиндрического отверстия необходимо его «проглаживать» неизношенной калибрующей частью инструмента. Для этого необходима дополнительная осевая подача инструмента и после образования сквозного отверстия, пока не прекратятся боковые разряды между инструментом и цилиндрической поверхностью отверстия.

Глухие отверстия после их образования следует калибровать новым, неизношенным инструментом.

При размерной обработке непрофилированным электродомпроволочкой уменьшение ее диаметра вследствие эрозионного износа ведет к ослаблению ее натяжения и искажению профиля контура. Ослабление натяжения электрода-проволочки требует также увеличения межэлектродного зазора.

Что касается операций обработки электроэрозионным разрезанием и шлифованием, то здесь износ электрода-инструмента может быть скомпенсирован его подачей.

В соответствии с имеющимися справочными данными объемный износ электрода-инструмента составляет для прошивания сталей медными и латунными инструментами на электроискровом режиме 30…95%, при различных операциях по обработке сталей на электроимпульсном режиме медно-графитовыми инструментами — 0,1…4,0%, и для электроконтактной обработки в жидкой среде — 10…40%.

Качество поверхности, обработанной электроэрозионным методом, определяется неровностями микрорельефа и физико-химическими изменениями, происходящими в зоне термического влияния (ЗТВ) в приповерхностном слое. Поверхность, получаемая в результате ЭЭО, принципиально должна быть неровной, поскольку она получается в результате перекрытия произвольным образом расположенных сферических лунок, возникающих в результате единичных разрядов. Естественно, что с увеличением частоты разрядных импульсов расстояние между центрами лунок уменьшается, и высота шероховатостей, R_t, снижается. Допуская, что размеры всех лунок на обрабатываемой площади одинаковы, будем считать, что величина неровности R_; приблизительно равна высоте выступа, получаемого в результате геометрического перекрытия лунок. Величина этого выступа зависит от энергии импульса, так что в общем случае величину неровности R₇ принято выражать следующим соотношением.

где р — показатель степени, зависящий от формы лунки, а к_к — эмпирический коэффициент пропорциональности. Этот коэффициент характеризует режим обработки, материал электродов, а также рабочую среду. Показатель степени р колеблется в диапазоне от 0,04 до 0,3. Обычно для оценочных расчетов принимают р = 1/3. Коэффициент к_и для обработки на чистовых режимах принимают равным от 1 до 5 у твердых сплавов и от 2 до 12 у сталей. При обработке на черновых режимах этот коэффициент принимают равным от 10 до 50. Величины составляют обычно для обработки в электроимпульсном режиме от 20 до 40 мкм, при электроэрозионном разрезании от 80 до 200 мкм, при разрезании на воздухе — от 150 до 400 мкм.

Качество электроэрозионной обработки есть комплексное понятие, которое включает в себя, как уже говорилось, наряду с геометрическими факторами, также и факторы, связанные с изменениями, происходящими в приповерхностном слое.

Выделение теплоты при электрическом разряде происходит с большой интенсивностью, но в течение короткого времени существования разряда, что и позволяет в первом приближении расматривать точку контакта столба разряда с поверхностью в качестве точечного источника энергии, как это делалось выше. При этом возникает большая разница температур между зоной нагрева и внутренними слоями металла, что ведет к большой неравномерности деформаций и возникновению соответствующих напряжений. Эти термические и термомеханические процессы отличаются высокой кинетикой. Такие процессы возникают не только в начале импульса разряда, но и при его прекращении, поскольку нагретый металл заготовки быстро охлаждается жидкой рабочей средой. Если при этом превышается предел пластичности, то возможно возникновение трещин. В приповерхностном слое возможно также возникновение закалочных структур и других фазово-структурных изменений, а также химико-термических превращений. В этом слое возможно внедрение продуктов распада диэлектрической среды, например, углерода, а также элементов, входящих в состав электрода-инструмента. Это может привести к образованию карбидов железа, что повышает прочность поверхности стальных заготовок.

В целом приповерхностный слой принимают состоящим из трех частей: белого слоя, в котором имеют место структурно-фазовые и химико-термические превращения, переходный слой, в котором происходят только изменения вследствие термических воздействий, и слой исходного металла, оставшийся неизменным.

Глубина измененного слоя Н отсчитывается от дна лунки и зависит от тех же технологических факторов, что и величина шероховатости R. Следовательно, для расчетов этой величины используется аналогичное по структуре соотношение, отличающееся лишь значениями входящих в него коэффициентов, а именно:

при этом к_т = (1,8…4)к_и. Величина коэффициента пропорциональности определяется материалом заготовки.

В справочниках приводятся следующие усредненные данные по глубине измененного слоя для стальных заготовок в зависимости от вида обработки:

• — черновая обработка на электроимпульсном режиме — 0,1…0,4 мм
• — чистовая обработка на электроискровом режиме — 0,004…0,1 мм;
• — электроэрозионное шлифование в жидкости — 0,005…0,08 мм;
• — электроэрозионное разрезание в жидкости— 0,05…0,1 мм;
• — электроконтактная обработка в воздушной среде — <5мм.

Для предотвращения появления микротрещин можно осуществлять предварительный подогрев заготовок, что, однако усложняет конструкцию оборудования и проведение процесса.

Необходимость повышения качества обработки при обеспечении требуемой производительности привела к созданию комбинированных методов обработки при использовании комбинированного инструмента. Комбинированный инструмент представляет собой сочетание традиционных абразивных режущих элементов с электропроводящим электродом-инструментом. Например, он может представлять собой металлический диск, имитирующий движения торцевой фрезы, в котором по радиусам торцевой части устанавливаются абразивные прямоугольные бруски, а также предусмотрены отверстия для принудительной подачи рабочей жидкости. При движении такого инструмента вдоль обрабатываемой плоскости происходит съем основной части металла заготовки за счет электрической эрозии, а зачистка поверхности и съем измененного приповерхностного слоя осуществляется абразивным резанием. Возможны разнообразные конструкции подобных комбинированных инструментов, имитирующих конструкции и принципы осуществления рабочих движений различных традиционных режущих инструментов — например, уже названных торцевых фрез, цилиндрических фрез, осуществляющих встречное или попутное фрезерование, шлифовальных кругов для шлифовки плоскостей, а также внешней и внутренней круглой шлифовки, инструментов для обработки отверстий и пазов и др.

Следует также иметь в виду, что при определении рациональных режимов выполнения операций электроэрозионной обработки нужно учитывать также явления технологической наследственности. В данном случае нужно отчетливо представлять, что повышение производительности на данной электроэрозионной операции приведет к снижению качества обработанной поверхности и, следовательно, приведет к необходимости снятия большего припуска на последующих операциях механической обработки, что приведет к увеличению времени их выполнения. Критерием оптимальности поэтому должна приниматься суммарная себестоимость выполнения операций как проектируемого процесса электроэрозионной обработки, так и последующих механических операций, обусловленных принятыми параметрами электроэрозионной операции. Соответствующие методы и рекомендации имеются в справочной литературе.