|
Электроэрозионная обработка  Электроэрозионная обработка (аббр. ЭЭО) — обработка, заключающаяся в изменении формы, размеров, шероховатости и свойств поверхности электропроводящей заготовки под действием электрических разрядов, возникающих между заготовкой и электродом-инструментом. Электроэрозионная обработка основана на вырывании частиц материала с поверхности импульсом электрического разряда. Если задано напряжение (расстояние) между электродами, погруженными в рабочую жидкость (диэлектрик), то при их сближении (увеличении напряжения) происходит пробой рабочей жидкости — возникает электрический разряд, в канале которого образуется плазма с высокой температурой. Поскольку длительность используемых в данном методе обработки электрических импульсов не превышает 10−2 с, выделяющееся тепло не успевает распространиться в глубь материала и даже незначительной энергии оказывается достаточно, чтобы разогреть, расплавить и испарить небольшое количество вещества. Кроме того, давление, развиваемое частицами плазмы при ударе об электрод, способствует выбросу (эрозии) не только расплавленного, но и просто разогретого вещества. Поскольку электрический пробой, как правило, происходит по кратчайшему пути, то прежде всего разрушаются наиболее близко расположенные участки электродов. Таким образом, при приближении одного электрода заданной формы (инструмента) к другому (заготовке) поверхность последнего примет форму поверхности первого. Производительность процесса, качество получаемой поверхности в основном определяются параметрами электрических импульсов (их длительностью, частотой следования, энергией в импульсе). Электроэрозионный метод обработки объединил электроискровой и электроимпульсный методы. Виды
Характеристики электрического разряда при обработкеЭлектрический разряд между электродами идёт в несколько этапов: сначала происходит электрический пробой, который может сопровождаться искровыми разрядами; затем устанавливается дуговой разряд. Поэтому многие генераторы способны выдавать многоступенчатую форму импульса. Частота импульсов и их длительность выбирается исходя из технологических требований к обрабатываемой поверхности. Длительность импульса обычно лежит в диапазоне 10−1…10−7 с, частота от 5—500 кГц. Чем меньше длительность импульса, тем выше качество (Шероховатость) получаемой поверхности. Средний ток во время ЭЭО зависит от площади обрабатываемой поверхности. При площади 3600 мм² оптимальный ток приблизительно равен 100 А. Особенности методаЭлектрод-инструмент может иметь достаточно произвольную форму, что позволяет обрабатывать закрытые каналы, недоступные обычной механической обработке. ЭЭО могут подвергаться любые токопроводящие материалы, хотя примерно с середины 1980-х советские ученые работали над темой электроэрозионной обработки материалов с пограничной проводимостью[1]. К достоинствам электроэрозионной обработки относятся:
К недостаткам электроэрозионной обработки следует отнести:
Невысокая производительность (скорость подачи много менее 10 мм/мин) и высокое энергопотребление электроэрозионной обработки определяют сферу её применения в производстве. Электрический разряд — высококонцентрированный в пространстве во времени импульс электрической энергии между электродом-инструментом и электродом-деталью, которая преобразуется в тепловую. Именно под воздействием мощнейшей тепловой энергии происходит эрозия материала обоих электродов. При этом в канале разряда протекают нагрев и непосредственная сублимация компонентов материала с локальных поверхностей электродов, ионизация и распад рабочей жидкости (диэлектрика), формирование соединений в присутствии высоких температур из компонентов электродов и рабочей жидкости при определенной химической активности компонентов материалов электродов. В присутствии воды формируются эродированные частицы на основе кислорода или оксиды, в то время как водород выделяется в виде газа (на поверхности диэлектрика часто видны пузырьки газа поднимающегося из зоны обработки). В присутствии органических диэлектриков компоненты материалов зоны обработки образуют тугоплавкие карбиды, так как углерод имеет большую электрическую отрицательность, чем второй по электроотрицательности после фтора элемент — кислород, с формированием углеводородов, поэтому помещения, где расположен электроэрозионное оборудование должно быть не только термоконстатным (для обеспечения наилучшего результата при исполнении наиболее ответственных размерных форм деталей), но хорошо вентилируемым. Межэлектродным зазором называют минимально необходимое расстояние между электродом-инструментом и электродом-заготовкой для возникновения канала разряда. Канал разряда — заполненная плазмой цилиндрическая область малого сечения, возникающая между электродами, отстоящими друг от друга на расстоянии межэлектродного зазора. При электроэрозионной обработки материал электрода-инструмента подбирают таким образом, чтобы преимущественно разрушался электрод-заготовка, иначе процесс электрической эрозии теряет технологический смысл. Особенностью такого последовательного электроэрозионного разрушения электродов является то, что электрод-заготовка точно воспроизводит профиль электрода-инструмента, при этом морфология электроэрозионных разрушений на электроде-инструменте и электроде-заготовки будет идентичным и зависеть от параметров обработки и свойств материалов электродов, основными из которых можно назвать — электрическая проводимость и термическая устойчивость. Электроэрозионное объемное копирование часто используется при изготовлении объемных пресс-форм и штампов в инструментальном производстве, а также при производстве деталей в единичном производстве и при изготовлении опытных образцов и прототипов в авиакосмической, автомобильной, электронной индустриях. При электроэрозионном объемное копирование используются электроды-инструменты из графита, меди и вольфрама с негативным профилем в соответствии с требуемой формой детали, которые располагаются на пиноли станка и подаются поступательно к заготовке, погруженной в ванну с рабочей жидкостью. Для изготовления штампов для операций чеканки, вырубки-пробивки ювелирных изделий и монет изготавливают позитивные мастер-модели из серебра высокой пробы методом эрозионного объёмного копирования и маркирования. Электроэрозионное вырезание расширяет технологию объемного копирования за счет возможности вырезания любого профиля изделия в любом проводящем материале без потери точности инструмента за счет его постоянной перемотки. В этом случае под инструментом понимается электрод-проволока постоянного сечения. Электроэрозионное прошивание отверстий малого диаметра является одним из вариантов метода электроэрозионной обработки. Метод используется в том числе для получения отверстий для заправки электрода-проволоки как предварительная технологическая операция перед электроэрозионной вырезкой (например, при изготовлении изделий типа матрицы/пуансоны пресс-форм для литья пластмасс под давлением, в этом случае для последующего расположения фигурных толкателей вырезаются отверстия, которые в свою очередь требуют предварительно просверленного отверстия диаметром от 0,3 до 1 мм в заготовке высотой до 400 мм). Существуют специализированные электроэрозионные прошивочные станки, а также устройства для электроэрозионной прошивки, которые поставляется как дополнительная опция к электроэрозионному станку и устанавливается непосредственно в зоне обработки электроэрозионного станка, что позволяет выполнять две взаимосвязанных операции на одном станке без переустановки заготовки, что сокращает вспомогательное время операции и повышает точность обработки. Электроэрозионное прошивание отверстий используется для изготовления лопаток турбин, где необходимо получить рядов отверстий на передней и задней кромках турбинных лопаток для организации каналов охлаждения, что позволяет увеличить КПД турбины. Выполнение отверстий в жаропрочных сплавах и закаленных сталях крайне сложная задача. Электроэрозионное прошивание также используется для изготовления микроскопических отверстий в форсунках подачи топлива в камеру сгорания, фильер для изготовления синтетических волокон, таких как вискоза, кевлар и пр. Специализированные станки электроэрозионного прошивания отверстий распространены под названием «супер-дрель» («super drill») или «hole popper». Существуют 3- и 5-координатные (фирм GF AgieCharmilles и Ocean). Станки характеризуются тем, что позволяют получать глухие и сквозные отверстия в заготовке с помощью латунных или медных трубок, которые являются электродом-инструментом, которые непрерывно вращается в патроне в присутствии постоянного потока рабочей жидкости (дистиллированной или деионизированной воды), прокачиваемой через отверстие или отверстия в электроде-инструменте. Трубчатые электроды-инструменты используются аналогично, как и электрод-проволока. При разработке технологии следует учитывать величину межэлектродного зазора и износ электрода-инструмента. Отдельные модели электроэрозионных прошивочных станков позволяют изготавливать отверстия в закаленных сталях глубиной 100 мм за менее чем 10 секунд диаметром от 0,3 до 6,1 мм, при этом износ электрода-инструмента составляет до 50—80 %. Электроэрозионное диспергирование может осуществляться практически на любом электроэрозионном станке в зависимости от задачи или на самодельной установке[3]. В основном используется для получения порошков из твердых сплавов или других материалов в промышленных условиях. При электроэрозионном разрушении электродов образуется шлам, представляющая собой гранулы охлажденного материала иногда наноразмерной формы, что особенно актуально в наши дни, когда необходимо получить небольшое количество наноразмерных частиц контролируемого химического состава. Эрозионная дезинтеграция («Metal disintegration machining») используется для извлечения сломанного инструмента (сверла, буры, метчики) из заготовок. Для удаления сломанного инструмента из заготовок используются копировально-прошивочные; прошивочные станки и прошивочные системы ИсторияПервые сообщения об электрических разрядах и эффектах, их сопровождающих, делали Роберт Бойль (1694), Бенджамин Франклин (1751), Джозеф Пристли (1766) Лихтенберг Георг Кристиан (1777). В 1938 году советский инженер Л. А. Юткин показал, что серия электроискровых разрядов порождает формообразующие гидравлические удары, что положило начало электроискровой штамповке металлов, и стало следующим, после электродуговой сварки, шагом по развитию технологических методов формообразования электрическими разрядами[4]. В 1941 году учёным Б. Р. Лазаренко и Н. Е. Лазаренко из МГУ было поручено найти методы увеличения срока службы прерывателей-распределителей зажигания автомобильных двигателей. В результате исследований и экспериментов с вольфрамом они обратили внимание на направленное разрушение электрическими разрядами, создаваемыми импульсами определённой формы тока, что послужило толчком к созданию в 1943 году нового технологического процесса обработки заготовок с помощью электроэрозии (электроискровой метод электроэрозионной обработки)[5]. На изобретение были получены[6]:
В 1946 году супругам была присуждена Сталинская премия, а 26 июня 1948 года Борису Лазаренко — учёная степень доктора технических наук за диссертацию «Электроискровой способ обработки металлов». В 1948 году советский специалист М. М. Писаревский предложил более экономичный электроимпульсный метод обработки[5]. В 1952 году швейцарская фирма Charmilles Technologies представила миру первый электроэрозионный прошивочный станок Eleroda D1. В 1969 году швейцарская фирма Agie представила первый станок электроимпульсной обработки непрофилированным электродом с ЧПУ[8]. Методу электроэрозионной обработки в разное время посвятили свои научные труды такие советские и российские ученые как В. А. Волосатов, А. Н. Зайцев, Б. Н. Золотых, Л. И. Козловский, М. В. Коренблюм, Е. М. Левинсон, А. Л. Лившиц, Е. Ф. Немилов, М. Ш. Отто, Л. Я. Попилов, В. П. Смоленцев, И. Б. Ставицкий, Н. К. Фотеев и другие[9][10][11][12][13][14][15][16]. В советское время активными разработками в проектировании электроэрозионного оборудования занимались предприятия Научно-исследовательский экспериментальный институт металлорежущих станков (Москва) и НИИ «Исток» (Фрязино Московская области). В России электроэрозионное оборудование производят: «Дельта-Тест» (Фрязино), «Завод Станкоконструкция» (Москва), «Спецпромоборудование» (Ульяновск), «ЦНИТИ» (Москва), «Санкт-Петербургский завод прецизионного станкостроения», «Троицкий станкостроительный завод». Активные исследования электроэрозионных методов обработки в применении к инновационным материалам, включая композиты и нанокомпозиты, полученные усовершенствованными методами порошковой металлургии, а также по разработке методов диагностики и эффективного адаптивного контроля, проводятся научными группами Московского государственного технологического университета «Станкин»[17][18][19][20]. В Европе электроэрозионная обработка получила широкое развитие и распространение с 1970-х годов, в том числе, благодаря активному патентованию метода в 1960-х годах, проведению конференций различного уровня и участию в них по всему миру супругами Лазаренко[21][22][23]. Существует журнал «Электронная обработка материалов», главным редакторов которого с 1961 по 1978 год был Б. Р. Лазаренко. Лидерами в области электроэрозионной обработки являются фирмы: GF AgieCharmilles (Швейцария), ONA (Испания), Mitsubishi (Япония), Fanuk (Япония), Seibu (Япония), Sodick (Япония). См. такжеПримечания
Литература
|