Электроэрозионная обработка материалов

Электроэрозионная обработка материалов

В конце 18 века английским ученым Дж. Пристли было описано явление эрозии металлов под действием электрического тока.

Было замечено, что при разрыве электрической цепи в месте разрыва возникает искра или более продолжительная электрическая дуга.

Причем искра или дуга оказывает сильное разрушительное воздействие на контакты разрываемой цепи, называемое эрозией. Электрической эрозии подвержены контакты реле, выключателей, рубильников и других подобных устройств. Много исследований было посвящено устранению или хотя бы уменьшению такого разрушения контактов.

Датой рождения электроэрозионной обработки материалов (ЭЭО) считается 1943 год, от которого отсчитывается приоритет изобретения наших соотечественников Б. Р. Лазаренко и Н. И. Лазаренко.

Поместив электроды в жидкий диэлектрик и размыкая электрическую цепь, ученые заметили, что жидкость мутнела уже после первых разрядов между контактами. Они установили, что это происходит из-за того, что в жидкости появляются мельчайшие металлические шарики, которые возникают вследствие электрической эрозии электродов.

Ученые решили усилить эффект разрушения и попробовали применить электрические разряды для равномерного удаления металла.

С этой целью они поместили электроды (инструмент и заготовку) в жидкий диэлектрик, который охлаждал расплавленные частицы металла и не позволял им оседать на противолежащий электрод. В качестве генератора импульсов использовалась батарея конденсаторов, заряжаемых от источника постоянного тока, время зарядки конденсаторов регулировали реостатом. Так появилась первая в мире электроэрозионная установка.

Электрод-инструмент перемещали к заготовке. По мере их сближения возрастала напряженность поля в межэлектродном промежутке (МЭП).

При достижении определенной напряженности поля на участке с минимальным расстоянием между поверхностями электродов, измеряемым по перпендикуляру к обрабатываемой поверхности и называемым минимальным межэлектродным зазором, возникал электрический разряд, под действием которого происходило разрушение участка заготовки. Продукты обработки попадали в диэлектрическую жидкость, где охлаждались, не достигая электрода-инструмента, и затем осаждались на дно ванны.

Через некоторое время электрод-инструмент прошил пластину, причем контур отверстия точно соответствовал профилю инструмента.

Так, явление, считавшееся вредным, было применено для размерной обработки материалов. После создания в 1943 г. в СССР супругами Б.Р. и Н. И. Лазаренко принципиально нового метода обработки материалов — электроэрозионного появились новые возможности по формообразованию материалов, их обработке вне зависимости от твёрдости. На рис. 1 представлена упрощённая схема развития метода обработки материалов резанием с древнейших времён и до наших дней, состоящего из двух этапов.

Рис. 1. — Этапы обработки материалов с древнейших времён и до наших дней:

Первый этап механической обработки начался несколько миллионов лет назад и продолжился до 1943 года, когда формообразование деталей осуществлялось преимущественно путём механического воздействия одного материала (инструментального), как правило, более твёрдого, на другой (конструкционный). При этом по мере совершенствования свойств конструкционного материала к свойствам инструментального непрерывно предъявлялись всё более высокие требования.

К середине 20 века круг «замкнулся», возникли непреодолимые трудности при обработке твёрдых и сверхтвёрдых сплавов. Однако его «разомкнули» наши соотечественники, супруги Б.Р. и Н. И. Лазаренко, которые создали принципиально новый метод электроэрозионной обработки материала, использовав в качестве режущего инструмента электронный поток, что ознаменовало собой начало второго этапа обработки материалов — концентрированными потоками энергии.

Уже в войну 1941;45 гг. метод ЭЭРО сразу нашёл своё применение при производстве легендарных «Катюш», а в мирное время стал интенсивно развиваться в связи с его потребностью в промышленности для обработки ряда ответственных деталей из высокопрочных, тугоплавких материалов.

Изобретение электроэрозионной обработки (ЭЭО) имело выдающееся значение. К традиционным способам формообразования (резанию, литью, обработки давлением) прибавился совершенно новый, в котором непосредственно использовались электрические процессы.

Первоначально для осуществления электроэрозионной обработки применялись исключительно искровые разряды, создаваемые конденсатором в так называемом RC-генераторе. Поэтому новый процесс в то время называли электроискровой обработкой.

В 1948 году М. М. Писаревским на основе использования импульсов дугового разряда была предложена электроимпульсная обработка. Этот метод стал внедряться в промышленность в начале 50-х годов.

В последующие годы эволюция динамично продолжалась: 1967 год — разработка мало-изнашиваемых электродов-инструментов, 1975 год — внедрение систем ЧПУ и адаптивного управления, 1979 год — использование планетарных головок и получение зеркальных поверхностей, 1987 год — достижение сверхмалого износа инструмента. Погрешность обработки деталей на электроэрозионных станках снизилась с ±30 до ±5 мкм, а ежегодный выпуск станков вырос в 8−10 раз.

Практическое использование электрохимических методов обработки началось с 30-х годов 19 века (гальваностегия и гальванопластика). Первый патент на электролитическое полирование был выдан в 1910 году Е. И. Шпитальскому. Один из базовых способов электрохимической размерной обработки — «анодное растворение при высоких плотностях тока с удалением анодных продуктов потоком электролита» был предложен В. Н. Гусевым и Л. А. Рожковым в 1928 году. Работы, выполненные под руководством В. Н. Гусева (1904;1956 гг.), позволили установить основные закономерности управляемого съема материала при высокоскоростном анодном растворении металлов и сплавов, создать и внедрить в промышленное производство первые образцы соответствующего оборудования.

В годы войны и, особенно в послевоенные годы электрохимическая обработка материалов стала получать все большее распространение на предприятиях оборонных отраслей промышленности. К середине шестидесятых годов в авиационной промышленности СССР работало уже около 300 единиц электрохимического оборудования, а в семидесятых годах на передовых предприятиях двигателестроения функционировали уже специализированные цехи и участки, в каждом из которых насчитывалось по 30−50 единиц оборудования. История развития электроэрозионного и электрохимического методов обработки материалов является не только яркой иллюстрацией завоевания мирового технологического пространства наукоемкими технологиями, но и подчеркивает государственную важность обладания такими технологиями и их дальнейшего развития. Следует отметить, что к проблемам материаловедения применительно к ЭЭО с глубоким интересом относились в первую очередь Б. Р. Лазаренко, Г. В. Самсонов, А. Б. Артамонов, Б. Н. Золотых (рис. 2).

Рис. 2:

В работах Б. Н. Золотых, предпринималась попытка установления связи эрозии с теплофизическими константами материала. Было определено, что величина эрозии имеет тенденцию к снижению по мере роста «полной теплоты плавления массы металла, подвергшейся эрозии», а также температуры плавления (рис. 3).

Рис. 3. — Зависимость величины эрозии анода и катода (курсив) от температуры плавления материала:

Однако Б. Н. Золотых сделал вывод, что установление однозначной функциональной связи «между величиной эрозии и какой-либо одной теплофизической константой материала электрода невозможно, так как величина эрозии зависит не от одной теплофизической характеристики материала, не от одного вида фазовых превращений, а от комплекса величин и процессов». Электрофизические и электрохимические методы обработки — это общее название методов обработки конструкционных материалов непосредственно электрическим током, электролизом и их сочетанием с механическим воздействием.

В электрофизические и электрохимические методы обработки включают также методы ультразвуковые, плазменные и ряд других методов. С разработкой и внедрением в производство этих методов сделан принципиально новый шаг в технологии обработки материалов — электрическая энергия из вспомогательного средства при механической обработке (осуществление движения заготовки, инструмента) стала рабочим агентом. Всё более широкое использование электрофизических и электрохимических методов обработки в промышленности обусловлено их высокой производительностью, возможностью выполнять технологические операции, недоступные механическим методам обработки. Классификацию различных методов обработки можно увидеть на рис. 4.

металл эрозионный плавление Рис. 4. — Электрофизические и электрохимические методы обработки:

Заключение.

Изобретение электроэрозионной обработки вот уже несколько десятилетий позволяет машинои приборостроителям решать сложные технологические задачи при изготовлении деталей сложной конфигурации из обрабатываемых материалов. ЭЭО позволяет конструкторам и технологам выбрать оптимальный вариант конструкции, материала детали и технологического процесса. Электроэрозионные способы не исключают механическую обработку, а дополняют ее, занимая свое определенное место, соответствующее их особенностям, а именно: возможности обработки токопроводящих материалов с любыми физико-механическими свойствами и отображения формы инструмента в изделии. Особо перспективным является использование электрических способов для обработки деталей из твердых сплавов, жаропрочных сталей и специальных трудно обрабатываемых сплавов, получающих все большее применение в связи с повышением давлений, температур и скоростей в машинах и аппаратах. Область наиболее эффективного применения электрохимической обработки — это инструментальное производство различных отраслей промышленности, в частности, изготовление формообразующих элементов штампов, пресс-форм и литейных форм, изготовление ажурных и малоразмерных деталей из высокопрочных сталей и сплавов в ряде областей высоких технологий. Появление в последнее десятилетие нового поколения электрохимических станков, оснащенных системами управления, широкодиапазонными импульсными источниками питания, существенно возросший уровень теоретических представлений о механизме процесса анодного растворения и развитие методов математического моделирования гидродинамики потока электролита, электрических и тепловых полей в электролизерах создали реальную основу для постановки и практического решения задач прецизионного объемного электрохимического формообразования.

• 1. Артамонов Б. А., Волков Ю. С. и др. Электрофизические и электрохимические методы обработки материалов. Москва, «Высшая школа», 1983.
• 2. Лившиц А. Л. Электроэрозионная обработка металлов. Москва, «Высшая школа», 1979.
• 3. Артамонов Б. А. и др. Размерная электрическая обработка металлов. Москва, «Высшая школа», 1978.
• 4. Справочник по электрохимическим и электрофизическим методам обработки. Под ред. Волосатова В. А. Ленинград, «Машиностроение», 1988.
• 5. Вишницкий А. Л., Ясногородский И. З., Григорчук И. П., Электрохимическая и электромеханическая обработка металлов, Л., 1971.
• 6. Черепанов Ю. П., Самецкий Б. И., Электрохимическая обработка в машиностроении, М., 1972.