Часть 2. Физико-химические основы технологических процессов обработки заготовок электрофизическими и электрохимическими методами

Глава 1. Методы обработки, основанные на тепловом воздействии на обрабатываемый материал

1. Физические основы технологических процессов электроэрозионной обработки заготовок

1. Общие сведения об электроэрозионной обработке

В науке и технике само явление электрической эрозии, т. е. раз­рушение контактов под действием электрических разрядов, было известно давно. В частности, искровые и дуговые разряды возни­кают при разрыве или отключении электрических цепей. Электри­ческой эрозии подвержены контакты реле, выключателей, рубиль­ников и других подобных устройств. Электрическая эрозия - очень вредное явление, сокращающее срок службы и снижающее надеж­ность электрических устройств. Много исследований было посвя­щено устранению или хотя бы уменьшению такого разрушения контактов.

Над этой проблемой в годы Великой Отечественной войны работали советские ученые Б. Р. и Н. И. Лазаренко. Поместив элек­троды в жидкий диэлектрик и размыкая полученную электриче­скую цепь, ученые заметили, что жидкость мутнела уже после пер­вых разрядов между контактами. Они установили: это происходит потому, 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 2, заряжаемых от источника постоянного тока; вре­мя зарядки конденсаторов регулировали реостатом / (рис. 1.1). Так появилась первая в мире электроэрозионная установка.

Рис. 1.1. Принципиальная схема электроэрозионной установки

Электрод-инструмент 3 перемещали к заготовке 4. По мере их сближения возрастала напряженность поля в пространстве между электродом-инструментом и заготовкой. Это пространство назы­вают межэлектродным промежутком (МЭП), или просто проме­жутком. При достижении определенной напряженности поля на участке с минимальным расстоянием между поверхностями элек­тродов, измеренным по перпендикуляру к обрабатываемой поверх­ности и называемым минимальным межэлектродным зазором, воз­никал электрический разряд (протекал импульс) тока, под действи­ем которого происходило разрушение участка заготовки. Продукты обработки попадали в диэлектрическую жидкость 5, где охлажда­лись, не достигая электрода-инструмента, и затем осаждались на дно ванны. Через некоторое время электрод-инструмент прошил пластину 4, причем контур отверстия точно соответствовал профи­лю инструмента.

Так, явление, считавшееся вредным, было применено для размерной обработки материалов. Изобретение электроэрозионной обработки (ЭЭО) имело выдающееся значение. К традиционным

способам формообразования (резанию, литью, обработке давлени­ем) прибавился совершенно новый, в котором непосредственно ис­пользовались электрические процессы. Б. Р. и Н. И. Лазаренко бы­ли удостоены Государственной премии СССР. Позднее Б. Р. Лаза­ренко был избран академиком АН Молдавской ССР, где и работал до конца жизни (1910-1979).

Первоначально для осуществления ЭЭО применялись исклю­чительно искровые разряды, создаваемые конденсатором в так на­зываемом ЛС-генераторе (см. рис. 1.1). Поэтому новый процесс в то время называли электроискровой обработкой.

В начале 50-х гг. были разработаны специальные генераторы импульсов, благодаря которым обработку можно было проводить не только на коротких искровых разрядах, но и на более продолжи­тельных - искро-дуговых и дуговых разрядах. Чтобы отличить но­вые условия осуществления процесса, его стали называть электро- нмпул ьсной обработкой.

Поскольку для формообразования во всех случаях применяют одно и то же явление - электрическую эрозию, в настоящее время эти процессы считают разновидностями ЭЭО и используют опре­деления электроискровой режим ЭЭО и электроимпульсный режим ЭЭО.

Большой вклад в развитие методов ЭЭО внесли советские ученые и инженеры Б. Н. Золотых, А. Л. Лившиц, Л. С. Палатник, М. Ш. Отто и др.

2. Описание процесса электроэрозионной обработки

У

где и — разность потенциалов электрода-инструмента и заготовки; 5 - зазор между электродами.

даление металла с заготовки происходит в среде диэлектри­ка (масло, керосин, дистиллированная вода) за счет микроразрядов, расплавляющих часть металла. Рассмотрим основные стадии про­текания электроэрозионного процесса снятия припуска. По мере сближения электрода-инструмента с заготовкой напряженность Е электрического поля возрастает обратно пропорционально рас­стоянию между электродами

Наибольшая напряженность возникает на участке, где меж- элекгродный зазор минимален. Расположение этого участка зави­сит от местных выступов, неровностей на инструменте и заготовке, от наличия и размеров электропроводных частиц, находящихся в межэлектродном промежутке. На рис. 1.2 показано формирование расчетного зазора 5 между электродом-инструментом 3 и заготов­кой 4. Зазор зависит от высоты А, местного микро- или макровы­ступа на заготовке. Напряженность поля в районе выступа будет наибольшей, что повышает вероятность пробоя межэлектродного промежутка в этой точке. Кроме того, напряженность будет зави­сеть от наличия электропроводных частиц 1 в диэлектрике 2. Час­тица 1 с размером й_ч уменьшает расчетный зазор до размера ,?1+.?₂- Если не учитывать возможности присутствия в промежутке таких частиц, то следовало бы в расчетах принять зазор равным я. По­скольку истинный зазор будет меньше, чем расстояние между электродами, то напряженность поля на участках, где имеются электропроводные частицы, окажется выше.

1 2 3

Рис. 1.2. Схема формирования расчетного зазора между заготовкой и инструментом

Стадии протекания процесса электроэрозионной обработки показаны на рис. 1.3.

Электроды, один из которых является заготовкой 1, а другой - инструментом 2, погружается в диэлектрическую жидкость 3 и подключается к генератору электрических импульсов. При сбли­жении электродов на достаточно малое расстояние происходит пробой межэлектродной среды в месте с наибольшей напряженно­стью электрического поля. Диэлектрическая прочность промежутка в месте пробоя нарушается, и образуется токопроводящий канал 4, за­мыкающий электроды (рис. 1.3, а).

а б в

Рис. 1.3. Схема электроэрозионной обработки

По образовавшемуся токопроводящему каналу протекает им­пульс тока большой плотности, канал разряда расширяется, при этом температура в зоне разряда достигает нескольких тысяч гра­дусов. Участки электродов 5 и 7 в зоне разряда расплавляются и испаряются. Под действием высоких температур жидкость в зоне разряда разлагается и испаряется, образуя с парами металла быстро расширяющийся пузырь 6 (рис. 1.3, б).

При уменьшении тока, проходящего через электроды, давле­ние паров в расширяющемся газовом пузыре падает. В результате этого расплавленный металл вскипает и выбрасывается в виде мел­ких капель 8 в окружающую жидкость, где застывает в виде мел­ких частиц (рис. 1.3, в). Эти частицы выносятся из межэлектродно- го промежутка под действием ударных волн и течения жидкости, вызванных электрическим разрядом и образованием газового пу­зыря.

На поверхности электродов в месте прохождения разряда об­разуется углубление в форме сферической лунки радиусом Л. Раз­меры лунок зависят в основном от энергии и длительности им­пульсов и электроэрозионной стойкости материалов. При воздей­ствии серии разрядов поверхность приобретает форму с явно вы­раженными углублениями в виде лунок (см. далее рис. 1.7). Такие лунки формируют микрорельеф, характеризующий шероховатость поверхности.

Поверхностный слой дна лунок испытывает воздействие тер­мического цикла нагрева и быстрого охлаждения жидкостью. Свойства этого слоя отличны от свойств металла в глубине заго­товки. В электроискровом режиме большинство ионов, имеющих значительную массу, не успевает достичь отрицательно заряженно­го электрода и вызвать удаление материала с его поверхности. Съем металла происходит преимущественно с анода, который выбирают в качестве заготовки. Количество ионов, достигаю­щих поверхности инструмента, определяет интенсивность его из­носа. Очевидно, чем меньше будет износ инструмента, тем точнее можно получить деталь. Для этого стремятся сформировать им­пульс с меньшей длительностью, чтобы ионы не успевали достичь катода. Однако при этом возрастает время обработки и снижается производительность. Полярность, при которой заготовка явля­ется анодом, называют прямой. Электроэрозионная обработка, при которой используют электроискровой режим, обычно осуще­ствляется ври прямой полярности включения электродов.

Если увеличивать длительность импульсов тока, то растет ин­тенсивность съема металла с катода (инструмента) потоком ионов. Можно подобрать такое время протекания тока, при котором доля съема металла электронами составит лишь незначительную часть от общего объема удаленного с электродов материала. Поэтому здесь необходимо катодом выбрать заготовку. Полярность, при которой анодом является электрод-инструмент, называют об­ратной. Обработку материалов при электронмпульсном режиме осуществляют при обратной полярности включения электродов.

Полярность зависит не только от длительности импульса, но и от используемых в качестве электродов материалов. Для снижения износа электрода-инструмента от воздействия потока электронов его выполняют из материалов, слабо разрушающихся под действи­ем искровых разрядов, графитовых и медно-графитовых компози­ций. Для количественной оценки применяют понятие относитель­ного износа - отношения массы или объема материала, удаленного с электрода-инструмента, к массе или объему металла, снятого с заготовки.

3. Основные схемы электроэрозионной обработки и оборудование

Основные схемы формообразования, применяемые при элек- трозрозионной обработке, приведены в табл. 1.1. Оборудование для реализации этих схем включает гамму станков с ЧПУ и уни­версальных: копировально-прошивочных, для вырезки проволоч­ным электродом-инструментом, а также многочисленные специ­альные станки, например, для обработки ручьев на прокатных вал­ках, изготовления пресс-форм протекторов шин, изготовления от­верстий малого диаметра.

Таблица 1.1