§ 2.3. Качество поверхности

В результате электроэрозионной обработки поверхность приоб­ретает характерные неровности, а приповерхностные слои металла претерпевают физико-химические изменения. Это оказывает влия­ние на эксплуатационные показатели обрабатываемых деталей.

Обрабатываемая поверхность формируется из перекрывающих друг друга произвольно расположенных лунок. Как показано в § 1.4, размеры лунок зависят от энергии импульса и материала электродов. Они возрастают с ростом энергии импульсов и умень­шением частоты их следования. На рис. 1.14 видно, что высота не ровностей h_л зависит от степени перекрытия лунок. Высота неров­ностей профиля

где h_лi — глубина одной из пяти лунок в пределах базовой длины.

Принимая лунку сферической, а размеры двух соседних углуб­лений одинаковыми, можно найти размеры неровностей h_л на их границе. Расчетная схема приведена на рис. 1.14. Из треугольника abc высоту выступа h_л можно найти, учитывая, что bc = R - h_л, ас = l/2 и (вс)² = (ab)² - (ас)² . После ряда преобразований находим для некоторого i-гo выступа

Поскольку h_л < R, то . Радиус R определя­ют из треугольника bde, где bd = R - h₁, de = r. Отсюда Ri = (h_1i² + r_i²)/(2h_1i).

Проведенные исследования показали, что с повышением частоты следования импульсов расстояние l между центрами лунок и вы­сота неровностей R_z снижаются. При частоте выше некоторого пре­дельного значения вся поверхность заготовки в зоне обработки бу­дет иметь лунки, расположенные достаточно равномерно. С неко­торым приближением можно принять l = R. Тогда

Если допустить, что размеры всех лунок на участке поверхности, где проводятся измерения шероховатости, одинаковы, то можно считать R_z = h_л. Поскольку размер лунки зависит от энергии им­пульса, то можно высоту неровностей выразить через энергию им­пульса:

где k_н — коэффициент, зависящий от режима обработки, материала электродов, их размеров, вида и состояния рабочей среды; р = 0,3...0,04 — показатель степени, характеризующий форму лунки. В расчетах принимают р = 1/3. При чистовых режимах для твердых сплавов k_н = 1...5, для сталей k_н =2...12; при черновых режимах k_н = 10...50. При измерении высоты неровностей следует учитывать специфику поверхности после электроэрозионной обработки.

Из теории процесса видно, что углубления, определяющие шеро­ховатость поверхности, имеют форму лунок с плавным сопряжени­ем. Это затрудняет оценку высот неровностей с помощью световых методов измерений, например двойным микроскопом. Для получе­ния достоверных результатов следует пользоваться профилометрами и профилографами, работающими по методу ощупывания поверх­ности иглой.

Шероховатость после обработки на электроискровом режиме твердых сплавов R_a = 0,2...0,3 мкм; после обработки сталей R_a = 0,3...0,6 мкм. После обработки на электроимпульсном режиме R_a = 20...40 мкм; при шлифовании в жидкости R_a = 0,5...0,8 мкм; при разрезании R_z = 80...200 мкм; при электроконтактном обдирочном шлифовании и разрезании на воздухе R_z = 150...400 мкм. Вы­сота неровностей при упрочнении и легировании растет с увеличе­нием толщины наносимого слоя: R_z= 10…200 мкм.

Рис. 1.19

Поверхностный слой формируется за счет части расплавленного металла, оставшегося на поверхности лунки, и прилегающего к ней слоя металла, подвергнутого структурным изменениям от быстрого нагрева и охлаждения материала. Поверхност­ный слой состоит из так называемого белого слоя 1, в котором наблюдаются химико-терми­ческие превращения, переходного слоя 2, в ко­тором имели место только термические изме­нения и под которым находится неизмененный металл 3 заготовки (рис. 1.19). Измененная зона, образуемая слоем 1, содержит продукты диэлектрической среды, в частности углерод и элементы, входящие в состав электрода-инструмента. У стальных заготовок в этой зоне об­разуются карбиды железа, которые способствуют упрочнению поверхности.

Если металл обрабатывают импульсами высокой энергии, то в начале разряда нагревается и плавится металла на поверхности; затем теплота проникает вглубь. Для нагрева внутренних слоев тре­буется какое-то время. Поскольку время разряда невелико, а мощ­ность его значительна, то возникает большая разница температур по глубине. Наружные слои, как более нагретые, расширяются больше, внутренние - меньше. Однако металл в зоне лунки в на­чале разряда не обладает достаточной пластичностью, поэтому в нем возникают значительные внутренние напряжения, вызываю­щие разрыв. В конце импульса под действием резкого охлаждения нагретого металла жидкой рабочей средой вновь возникает боль­шой перепад температур под лункой и появляются внутренние на­пряжения, которые тоже вызывают трещинообразование. Особенно склонны к растрескиванию хрупкие материалы, например твердые сплавы. Толщина измененного слоя после серии импульсов значи­тельно превышает высоту неровностей. Она зависит от теплофизических свойств материала заготовки, температуры, при которой про­исходят фазовые превращения обрабатываемого металла, и других причин. С учетом граничной температуры по методике § 1.4 можно найти расчетным путем толщину Н измененного слоя, которая оп­ределяется через глубину h₁ единичной лунки и расстояние h₂ от поверхности до границы, где имеют место изменения обрабатывае­мого металла, т. е. где наблюдается температура начала фазовых превращений материала заготовки (см. рис. 1.14): H=h₂—h₁. Тол­щину измененного слоя рассчитывают для донной части лунки. Это позволяет найти истинное значение слоя без учета воздействия со­седних импульсов.

Глубина измененного слоя зависит от тех же факторов, что и ше­роховатость, поэтому для расчетов можно использовать зависи­мость, аналогичную (1.14),

В зависимости от материала заготовки коэффициент k_т = (1,8...4)k_н [см. формулу (1.14)].

При обработке в воздушной среде длительность импульсов обыч­но больше, чем при процессе в жидкости, поэтому глубина изменен­ного слоя получается значительно больше. После электроконтакт­ного разрезания в воздушной среде на заготовке наблюдается ли­тая структура.

Если H > 0,1 мм, у всех сплавов, как правило, наблюдаются микротрещины. Подогрев заготовки перед обработкой позволяет снизить толщину измененного слоя в несколько раз, однако при этом необходимо использовать негорючие рабочие среды, что ус­ложняет конструкцию станков и их обслуживание.

Состояние поверхностного слоя определяет износостойкость, прочность и другие свойства детали в механизме. После электро­эрозионной обработки поверхностный слой приобретает свойства, по-разному влияющие на эксплуатационные характеристики дета­лей. Положительными являются повышение твердости поверхности при сохранении вязкости сердцевины, большое количество лунок на поверхности, плавное их сопряжение. К недостаткам следует от­нести возможность появления трещин, растягивающих напряжений, трудность получения поверхности с малой шероховатостью.