11.2. Электроэрозионная обработка (ээо)

11.2.1. Общая характеристика ээо

Эрозия - процесс разрушения. Электроэрозия - разрушение, происходящее на поверхности одного из проводников, разделенных диэлектриком, в период электрического разряда между ними.

	а б
Рис.11.1. Электрическая схема генератора электроискровых разрядов.	Рис.11.2. Схема расположения электрода (а) и образование углубления в аноде – заготовке (б)

Если два проводника, в дальнейшем называемых электродами, присоединенные к электрической цепи, состоящей из конденсатора и источника тока (см. рис.11.1), поместить в среду диэлектрика (масло, дистиллированная вода, керосин и др.) (см. рис.11.2) на некотором расстоянии друг от друга S, то по мере сближения электродов 1 и 2 усиливается ионизация межэлектродного промежутка (МЭП) и возрастает напряженность Е электрического поля обратно пропорционально расстоянию между ними: Е = U/S, где U - разность потенциалов между электродами, S - зазор.

Рис.11.3. Форма и размеры лунки,

образующейся в результате искрового

разряда.

При некотором зазоре, составляющем несколько сотых долей миллиметра, происходит электрический разряд между электродами и через промежуток между ними протекает электрический ток - движение электронов от отрицательно заряженного электрода - катода 1 (см. рис.11.2) к положительно заряженному электроду - аноду 2. В обратном направлении происходит движение более тяжелых положительно заряженных частиц - ионов. Скорость движения электронов больше, так как их масса меньше массы ионов, и они быстрее достигают анода: их кинетическая энергия превращается в тепловую, температура по поверхности анода повышается до 5000...12000°С - материал анода плавится и испаряется. Расплавленные частицы анода выбрасываются в окружающее пространство, затвердевают и уносятся жидким диэлектриком. На аноде образуется углубление (см. рис.11.3) в форме сферической лунки диаметром D_Л и глубиной Н_Л. Длительность электрического разряда может составлять от микросекунды до тысяч микросекунд. Разряды происходят с большой частотой. С уменьшением частоты и увеличением длительности разрядов возрастает возможность для достижения тяжелыми ионами поверхности катода и его разрушения путем расплавления и испарения материала катода. При уменьшении частоты разрядов усиливается разрушение катода и, начиная с некоторой частоты, разрушение катода становится превалирующим - искровой разряд переходит в дуговой. В этом случае заготовку необходимо соединить с отрицательным полюсом источника тока, то есть она будет катодом, а инструмент - анодом. Полярность, при которой заготовка является анодом, а инструмент - катодом, называется прямой. Обработка при прямой полярности называется электроискровой. Обработка, когда заготовка является катодом, а инструмент - анодом, называется электроимпульсной и происходит при обратной полярности.

С увеличением времени обработки диэлектрическая жидкость насыщается металлическими частицами обрабатываемой заготовки - технологические свойства ее ухудшаются. Поэтому ее целесообразно прокачивать через межэлектродный промежуток, а при предельной насыщенности ее следует заменить. Электроды изготавливаются из графита, вольфрама, меди и других материалов.

Технологическими характеристиками ЭЭО являются: производительность обработки, шероховатость и точность обработанной поверхности, физико-химические характеристики поверхностного слоя. В процессе эрозии можно выделить три стадии её протекания.

В первой стадии происходит пробой межэлектродного промежутка (МЭП) – разряд в результате образования зоны с высокой напряжённостью МЭП, достигающей в момент разряда десятка мегавольт на метр. Под действием разряда происходит ионизация МЭП, через который протекает электрический ток, так как образуется канал проводимости цилиндрической формы, заполненный нагретым веществом (плазмой), содержащим ионы и электроны. Сила тока в канале проводимости мгновенно возрастает. На границе канала – поверхности заготовки - образуется лунка, форма которой близка к сферической.

Вторая стадия заключается в образовании около канала проводимости газового пузыря из паров диэлектрической жидкости и обрабатываемого материала заготовки. Канал проводимости и газовый пузырь расширяются в перпендикулярном к каналу проводимости направлении.

На третьей стадии ток через канал проводимости прекращается, газовый пузырь расширяется, в МЭПе образуется жидкий металл, внутри газового пузыря имеются пары металлов заготовки и электрода. Когда газовый пузырь достигает предельного размера, давление внутри его падает. Содержащийся в лунке расплавленный металл вскипает и выбрасывается в МЭП. После разряда в течение некоторого времени происходит остывание в канале проводимости и деионизация вещества плазмы в МЭПе. Электрическая проводимость МЭПа восстанавливается. Следующий разряд наступает в другом месте, где расстояние между катодами минимально.

Все технологические показатели процесса определяются количеством металла, расплавленного за один импульс – разряд, зависящего от энергии импульса, времени его действия и частоты импульсов.

Производительность определяется электроэрозионной обрабатываемостью материала заготовки; мощностью, реализуемой в межэлектродном промежутке; свойствами рабочей среды.

Производительность измеряется объемом металла заготовки, удаляемого с нее в единицу времени. Электроэрозионная обрабатываемость определяется природой материала заготовки и его теплофизическими характеристиками: температурой плавления, теплоемкостью и теплопроводностью. С уменьшением температуры плавления и увеличением теплопроводности обрабатываемость возрастает. Ей можно дать только относительную оценку. Если принять электроэрозионную обрабатываемость стали за единицу, то для вольфрама она составит 0,3; для вольфрамовых твердых сплавов - 0,5; для титановых сплавов - 0,6; никеля - 0,8; меди - 1,1; латуни - 1,6; алюминиевых сплавов - 4; магниевых сплавов - 6.

С увеличением продолжительности и мощности разрядов производительность П возрастает, что может быть выражено следующей зависимостью: П = К А_И /(qτ),

где К - коэффициент, зависящий от вида и состояния рабочей среды, материалов электродов, характеристик разрядов и импульса; А_И - энергия импульса; q - скважность - отношение времени между двумя импульсами Т к времени самого импульса τ.

С увеличением вязкости рабочей среды ухудшаются условия эвакуации продуктов эрозии из МЭП и снижается производительность.

Шероховатость обработанной поверхности зависит от размера лунки, обработанной одним импульсом. Чем больше размеры лунки D_Л и Н_Л (см. рис.11.3), тем больше шероховатость. Размеры лунки (диаметр и глубина) определяются энергией одного импульса. Поэтому черновую обработку ведут при малой частоте и большой энергии импульса, а чистовую - при большой частоте и малой энергии импульса. В табл.11.2 приведены некоторые характеристики ЭЭО: высота неровности R_Z, энергия импульса А_И, время одного импульса τ, производительность П.

Таблица 11.2.

Режим	τ, мкс	АИ, Дж	RZ, мкм	П, мм3/мин
Черновой	100…1000	1…5	50…1000	100…30000
Чистовой	200…500	0,2…0,5	5…25	30…200
Отделочный	10…20	0,05…0,1	1…3	5…20

Точность обработки снижается с увеличением поперечных размеров электродов. Так, при диаметре электрода-инструмента 25 мм погрешность обработки составляет примерно 0,05 мм, при диаметре 100 мм - 0,08 мм.

Свойства поверхностного слоя определяются следующими процессами, сопровождающими ЭЭО. Поверхностный слой подвергается локальному кратковременному нагреву до температуры 5000...10000°С с большим градиентом температуры. При этом большая часть расплавленного металла удаляется из зоны разряда, но некоторая часть остается в лунке. При застывании металла на поверхности лунки образуется пленка (см. рис.11.3), отличающаяся свойствами от основного металла и обладающая высокой твердостью: поверхностный слой в расплавленном состоянии активно вступает в химическое взаимодействие с продуктами разложения рабочей жидкости и насыщается содержащимися в ней компонентами. При электроэрозионной обработке стальных деталей в среде масла или керосина поверхностный слой насыщается углеродом - образуются карбиды железа. При этом тепловая ситуация обуславливает закалку поверхностного слоя с образованием очень твердого и хрупкого поверхностного слоя. Большие градиенты температуры в лунке и хрупкость поверхностного слоя приводят к образованию поверхностных микротрещин, снижающих его эксплуатационные свойства. В поверхностном слое, как правило, наводятся остаточные напряжения растяжения. Поэтому поверхностный слой следует считать дефектным и в необходимых случаях его следует удалять последующей обработкой. Уменьшить его толщину до сотых долей миллиметра можно путем применения надлежащих режимов ЭЭО.