2.3 Моделирование процесса

Основные закономерности. Основные технологические показатели процесса (точность, качество поверхности, производительность) зависят от количества выплавленного за один импульс металла из лунки, определяемого энергией импульса, временем действия импульсов и частотой их следования. Энергия импульса как работа электрического тока зависит от произведения силы тока на напряжение за время протекания импульса:

. (2.1)

В первом приближении энергию можно рассчитывать по средним значениям силы тока и напряжения:

. (2.2)

Среднее значение напряжения пробоя =(0,5...0,75) , где — напряжение холостого хода при разомкнутых электродах. Напряжение легко контролировать в процессе обработки.

При электроискровом режиме принимают = 40 ... 180 В. Если используют электроимпульсный режим, то =18 ... 36 В. Электроконтактная обработка в жидкой среде протекает при =18 ... 40 В. в воздухе — при = 3 ... 12 В.

Среднюю силу тока определяют через ее значение при ко­ротком замыкании электродов: =(0,5 ... 0,75) . Силу тока короткого замыкания можно устанавливать и контролировать по приборам станка. Ее выбирают в зависимости от обрабатываемого материала и требуемой шероховатости поверхности. Для стали при черновой обработке =20 ... 120 А, при чистовой обработке =0,5 ... 5 А, для твердых сплавов =0,05 ... 0,2 А.

Длительность импульсов обратно пропорциональна частоте их следования. Поскольку между импульсами имеются паузы, то при расчете необходимо учитывать скважность — отношение периода повторения импульсов к их длительности ( ):

. (2.3)

Длительность импульса для черновой обработки сталей = 200 ... 10⁵ мкс, для чистовой обработки = 5 ... 200 мкс. Для твердых сплавов длительность импульса еще на 2 ... 3 порядка ниже. При электроэрозионной обработке используются импульсы раз­личной формы (рис. 2.11), но одной полярности (униполярные).

Рис. 2.11. Формы импульсов при электроэрозионной обработке.

Форма импульсов подбирается такой, чтобы при определенных па­раметрах импульса получить наибольшее углубление на заготовке, т. е. достичь наиболее эффективного использования подводимой энергии. Так, увеличение тока в импульсе в два раза позволяет для определенного диапазона режимов поднять скорость эрозии в 2,5 ... 3 раза. В рабочем диапазоне режимов выбирают определенное соотношение максимального значения силы тока в импульсе к его длительности.

Тепловые процессы на электродах. Точно рассчитать температуру в окрестностях области разряда не представляется возможным, так как нет сведений о тепловых потоках, начальной конфигурации поверхности электрода и другой информации. Поэтому решение носит приближенный характер. Разряд, в частности, принимают стационарным точечным источни­ком теплоты, теплофизические параметры — неизменными в течение времени протекания процесса, усредняют по времени тепловые потоки, методика нахождения температуры одинакова для обоих электродов.

Схема расчета показана на рис. 2.12. Точечный источник

Рис. 2.12. Схема расчета температуры на электроде: 1 – точечный источник, 2 – электрон.

1 излучает теплоту равномерно во все стороны. Из-за малых размеров зазора большая его часть попадает на электрод 2. Граница плавления металла будет перемещаться по сфере, принимающей последовательные положения а, б, в, г, до окончания действия импульса напряжения. Для расчета принимаем, что потерь теплоты в межэлектродном пространстве не происходит. Из теории теплопередачи известно, что приращение температуры твердого тела зависит от энергии импульса , расстояния до источника теплоты, удельной теплоемкости и плотности материала электрода, потерь энергии:

, (2.4)

где — температура в точке, находящейся в зоне действия импульса; — начальная температура электрода; — коэффициент полезного использования энергии импульса; —безразмерный пара­метр температуры, учитывающий температуропроводность электрода, время действия источника тепла:

.

Здесь — критерий Фурье.

Для расчета необходимо знать значение коэффициента , который характеризует долю энергии импульса, используемую на расплавление металла. Он учитывает следующие потери теплоты:

на нагрев и испарение жидкости, образование ударной волны и газового пузыря. Эти потери оцениваются коэффициентом : при электроискровом режиме , при электроимпульсном режиме ;

на нагрев второго электрода; потери учитываются коэффициентом . Его значение зависит от теплопроводности, теплоемкости, плотности материалов электродов, их расположения, причем большая часть энергии перейдет в электрод с большей теплопроводностью. При вертикальном движении подачи для верхнего электрода , для нижнего , где . Здесь и — коэффициенты теплопроводности электродов; и — удельные теплоемкости; и — плотности материалов соответственно верхнего и нижнего электродов;

зависящие от свойств среды, в которой происходит ЭЭО; характеризуются коэффициентом , который для разных диэлектрических жидкостей принимает значения от 0,2 до 0 (для керосина ; для масел );

зависящие от изменения напряжения; оцениваются коэффициентом . Если напряжение ниже номинала, то берется знак «—», если выше — знак «+».

Коэффициент полезного использования энергии

. (2.5)

Расчет температуры позволяет определить границу жидкого металла, зоны фазовых превращений в лунке и прилегающей к ней области. На рис. 2.13 показано распределение температуры в виде изотерм в конце действия импульса с энер-

Рис. 2.13. Изотермы.

гией 0,54 Дж длительностью 0,008 с. Расстояние между соседними изотермами составляет 5 мкм; значения температуры показаны на выносках. Температура плавления металла с учетом его перегрева на 80 К принята 1800 К. Перегрев необходим для обеспечения жидкотекучести металла при выбрасывании его из лунки. Глубина лунки, обозначенная радиальной штриховкой, составит при этих условиях около 20 мкм. Зная распределение температуры, можно найти толщину слоя металла с изменившимися в результате термического цикла свойствами.

В процессе электроэрозионной обработки удаление металла с заготовки происходит за счет серии импульсов, действующих на смежные участки поверхности. Поэтому форма и размеры лунки будут отличаться от углубления после единичного разряда. На рис. 2.14 показано изменение диаметра и глубины лунки по сравнению с теми же параметрами ( , ) после единичного разряда. Эта разница будет зависеть от расстояния между центрами соседних лунок. Взаимное влияние импульсов оценивают коэффициентом перекрытия .

Рис. 2.14. Изменение формы и размеров лунок.

Условия протекания разрядов различаются, и размеры каждой лунки будут разными. Поэтому для расчета берут средние размеры углубления, которые находят из статистических данных.

Моделирование процесса электроконтактной обработки в жидкой среде. Механизм электроконтактной обработки (ЭКО) показан на рис. 2.15.

Из рис. 2.15 видно, что при исходном состоянии системы инструмент в форме диска имеет на периферии неровности, вызванные воздействием инструмента (продольные или поперечные выступы, микронеровности, местные углубления и др.). После подачи в зону обработки жидкого стекла, независимо от вращения электродов, происходит некоторая диссоциация воды и жидкого стекла, усиливающаяся после подключения тока на диск и заготовку. Вращение диска создает насосный эффект и разгоняет поток жидкости.

В начале процесса происходит разложение в электрическом поле жидкого стекла с образованием твердых гранул :

Происходит сближение диска с заготовкой до контакта с гранулой. При достаточной концентрации жидкого стекла количество гранул может превышать необходимость в сплошном покрытии поверхности контакта. При вращении диска и заготовки происходит нарушение сплошности пленки с гранулами, что наиболее вероятно при контакте заготовки с выступом на диске. Возникает разряд, ток растет до рабочего уровня, начинается плавление металла в месте контакта.

Процесс развивается, может появиться дуговой разряд, вызывающий расплавление и испарение выступа на диске. В МЭП находятся гранулы и жидкое стекло , часть кислорода выделяется в воздух, частично в виде озона, что фиксируется приборами. Гранулы в жидком стекле образуют вязкий слой, в который поступает предельное количество гранул. Этот слой препятствует прямому контакту электродов, причем сопротивление тем выше, чем тоньше слой. Температура в зоне разряда возрастает выше границы плавления металла заготовки, происходит испарение и выброс частиц в МЭП.

Этапы процесса	Химизм	Критерии
	В зазоре	Скорость
		Ток Темпера- тура Концент- рация
Этапы процесса	Химизм	Критерии
	, вязкий слой с твердым наполнителем	Ток Темпера- тура Полярный эффект износ << съема
		Ток Температура Потеря , Повыше-ние
	Динамическое равновесие ,	Профиль регуляр-ный

Рис. 2.15. Механизм ЭКО в жидком стекле

За счет высокой частоты вращения диска относительно заготовки и подачи на диск рабочей среды, а также полярного эффекта (при высокой частоте следования импульсов) интенсивность нагрева заготовки намного выше, чем диска, хотя, по мнению Л. А. Ушомирской, на черновых режимах следует применять обратную полярность. Это, видимо, в большей степени относится к электроконтактному разрезанию лентами, где скорость перемещения инструмента существенно ниже оптимальной, а при работе с диском скорости на периферии можно повысить до 40 и даже 45 м/с, что сокращает длительность импульса в рамках прямой полярности электродов. В результате на диске и заготовке образуются лунки, причем глубина и размеры сечения этих углублений на аноде, как правило, значительно больше.

Такие лунки имеют вытянутую в направлении вращения диска форму, что было отмечено в работах СКВ "Искра" (Уфа) еще в 1983-1985 годах. Однако для описания механизма протекания процесса необходимо учитывать объем удаленного металла, поэтому возможно принять лунки сферическими с объемом, равным истинному. Тогда можно опираться в сравниваемых вариантах технологии на исследования поверхности слоя без учета параметров относительного перемещения электродов. После расплавления и, частично, испарения металла заготовки цепь разрывается. Этот процесс происходит тем быстрее, чем интенсивнее охлаждение рабочей средой. На поверхности электродов остаются лунки, причем образование таких углублений может произойти через некоторое количество оборотов диска, когда будет устранена исходная шероховатость. Под действием рабочей среды происходит быстрая закалка металла в окрестности лунки, что может привести к образованию измененного слоя с повышенной твердостью, литой структурой. Остаточные напряжения, как правило, растягивающие, что вызывает появление микротрещин и образование дефектного слоя, который должен обязательно удаляться при подрезке торцов отрезанных заготовок.

В МЭП происходят химические реакции

Происходит частичное восстановление жидкого стекла.

Однако из-за перехода в окружающую среду части кислорода возникает некоторый избыток ионов натрия, который может реагировать со свободными гидроксидами и образовывать щелочь.

.

Защелачивание рабочей среды действительно имеет место, но оно крайне незначительно из-за высокой скорости протекания процессов и малых МЭП, когда газы не успевают выйти из зоны реакции.

После окончания разряда ток падает, поток выносит часть гранул , продукты обработки, газы, пары жидкости. В зону обработки поступает свежая среда с исходным составом, сближается с заготовкой очередной выступ на диске и процесс повторяется.

После приработки на поверхности формируется регулярный профиль из лунок, после чего условия протекания процесса изменяются только в зависимости от углубления в заготовку.

По мере углубления инструмента условия протекания процесса усложняются: появляются боковые разряды, что снижает коэффициент полезного действия, ухудшается вынос продуктов обработки и поступление свежей жидкости. Однако на качественную сторону процесса это не оказывает существенного воздействия.

Таким образом, в соответствии с принятыми признаками теории подобия можно утверждать, что наличие твердых частиц и жидкой среды является необходимым условием регулирования процесса ЭКР.

По аналогии с механизмом протекания процесса рассмотрим те же этапы, которые, применительно к суспензии, приведены на рис. 2.16.

Наиболее значительным является подготовительный этап процесса. Здесь происходит смешивание гранул с водой и вязкой средой, достижение заданной структуры, равномерности и вязкости среды.

,

где – расчетный показатель вязкости.

Тогда средняя концентрация гранул будет близка к расчетной

.

Выравнивание свойств протекает за счет перемешивания суспензии, а перед началом смены – барботажем среды в банке, обычно путем подачи сжатого воздуха через отверстия в днище бака.

После выравнивания свойств подачу воздуха прекращают, а равномерность структуры поддерживают прокачкой жидкости. При этом оседание гранул вследствие гравитационных сил, особенно в период между рабочими циклами разрезания, компенсируется увеличением исходной концентрации гранул и добавок.

В начале процесса ЭКР в межэлектродном промежутке находится суспензия, содержащая твердые частицы (каолин). При сближении электродов путем приложения силы

Этапы процесса	Критерии
Подготовительный - структурирование жидкой среды (ж.с.) - структурирование суспензии - выравнивание свойств суспензии барботаж, перемешивание суспензии.	Вязкость концентрация гранул (С) Давление ( )
Начало
Развитие Образование лунки на заготовке и удаление выступов на инструменте	Ток Температура поверхности полярный эффект объем снятого металла
Окончание этапа	Ток концентрация суспензии
УСТАНОВИВШИЙСЯ РЕЖИМ	Профиль – регулярный

Рис. 2.16. Моделирование процесса ЭКР в суспензии

межэлектродный зазор будет снижаться, но при этом возрастет местная концентрация в зазоре гранул, связанных между собой вязкими добавками. Тогда с ростом давления зазор будет снижаться.

Одновременно на электроды подают напряжение (далее будем обозначать его ).

После снижения зазора до предельной величины начинается ионизация воды и появляется ток

Возникает канал проводимости, в который попадает один из выступов диска, возникает разряд, ток лавинообразно возрастает до предельного значения импульса

Начинается разогрев металла в месте горения дуги.

С развитием процесса

Температура возрастает

где – температура плавления металла;

– температура кипения металла;

– температура испарения металла.

Расплавленный металл выбрасывается в МЭП. Давление диска в направлении заготовки .

Однако металлического контакта не происходит, так как между электродами находятся гранулы в повышенной концентрацией в воде. На поверхности анода и катода образуются углубления, аналогичные наблюдаемым при работе с жидким стеклом. Но объем лунок на аноде значительно превышает тот же показатель для катода, т.е. износ инструмента существенно меньше, чем съем материала.

За счет вращения диска или инструмента и заготовки возникает прокачка жидкости со скоростью , которая близка к разностной скорости электродов

,

,

где первое выражение характеризует скорость среды при одном направлении скорости диска ( ) и заготовки ( ), а второе – скорость при встречном перемещении диска и заготовки. За счет трения будет некоторое снижение скорости, но опыт показывает, что за счет регулярного профиля скорость прокачки близка к теоретической. Продукты обработки и частицы металла выносятся из МЭП, далее фильтруются, где отделяется большая часть металлических частиц. Далее жидкость поступает в бак, где разделяется на суспензию и продукты обработки. Степень разделения отстоем тем выше, чем большее время рабочая среда находится в баке.

После некоторой приработки на поверхности диска и заготовки возникает регулярный профиль в форме сферических сегментов с плотной упаковкой на поверхности. Процесс близок к изложенному для жидкого стекла. Здесь шероховатость диска и дна паза составит

;

,

где – текущее значение шероховатости периферии диска и противолежащей поверхности заготовки;

– расчетные ожидаемые или аналогичные значения шероховатости тех же поверхностей и заготовки.

После углубления в диск картина съема с боковой поверхности по сравнению с процессом в жидком стекле несколько меняется. Здесь твердые гранулы не исчезают, поэтому боковые разряды активно воздействуют на боковую поверхность до образования между диском и заготовкой зазора, равного межэлектродному зазору (МЭЗ). Если размеры гранул не ниже МЭЗ, то величина бокового МЭЗ может быть принята равной среднему диаметру гранул. Наличие гранул ограничивает боковые колебания диска и уменьшает ширину паза, что положительно влияет на экономию металла. Таким образом при использовании рабочих жидкостей на базе суспензий имеются значительные технологические преимущества, хотя и возникают трудности при подготовке жидкости к работе в начале смены (достижение равномерности смеси) и при ее работе (изменение концентрации по высоте в период пауз между рабочими циклами). Рассмотренная модель процесса позволяет разработать математическое описание механизма, методики расчета концентрации гранул расхода рабочей среды, глубины измененного слоя.

Из модели процесса можно построить последовательность явлений в МЭП и раскрыть их математическую интерпретацию.

В качестве расчетной схемы может быть принята картина на рис. 2.17.

Разряд в жидкости происходит при достижении в МЭП некоторой напряженности в В/см. При работе с суспензией порядков выше, чем у технической воды, поэтому пробой происходит через воду, для которой

В/см.

Тогда диаметр гранул находят

(2.6)

Рис. 2.17. Схема расчета начала пробоя промежутка:

– средний диаметр гранул; – межэлектродный зазор ( ).

Добавление в рабочую среду вязких веществ типа глицерина, жидкого стекла заметно изменяет картину, приведенную на рисунке 2.17.

Рис. 2.18. Влияние жидких добавок на состояние межэлектродного промежутка (МЭП): а – глицерина ( – диаметр гранулы; – толщина покрытия, образовавшегося за счет смачивания гранул глицерином); б – жидкого стекла ( – вязкость рабочей среды; – вязкость воды).

Как видно из рис. 2.18, глицерин создает на гранулах поверхностное покрытие с вязкостью, близкой к вязкости глицерина, а жидкое стекло, растворяясь в воде, повышает вязкость среды на величину, пропорциональную концентрации добавки. Возникает противоречие: при значительном содержании жидкого стекла теряет смысл замена его суспензиями, а при малой концентрации эффект от его нахождения в рабочей среде проявляется весьма слабо по сравнению с глицерином. Поэтому в дальнейшем в качестве добавок будет изучаться глицерин, свойства которого близки к другим продуктам переработки нефти, используемым в электроэрозионной обработке.

На рис. 2.19 приведена расчетная схема для определения пробоя в суспензиях с добавками вязких сред типа глицерина.

Рис. 2.19. Изменение межэлектродного промежутка (МЭП) в присутствии добавок в суспензию глицерина: а – в начальный момент ( );

б – в предельном сжатии ( )

Из рис. 2.19 видно, что пленка , обволакивая все гранулы (рис. 2.19, а), под воздействием давления перемещается в стороны (рис. 2.19, б), образуя мостики (заштрихованные на рис. 2.19, б). Тогда разряд возможен только через такой мостик, сопротивление которого существенно выше, чем у воды. В направлении разряда образуется слой

Здесь – глицерин.

Напряженность поля глицерина в момент пробоя

В/см. (2.7)

Тогда по зависимости (2.6) можно найти предельный размер гранулы, который в 1,5—2 раза меньше, чем в суспензии без добавок. Таким образом, глицерин позволяет не только улучшить условия процесса, но и стабилизировать его при снижении (например, ввиду износа) размеров гранул.

Как видно из рис. 2.20, можно считать, что все гранулы имеют шаровидную форму, на их поверхности находится равномерная пленка вязкой добавки толщиной , а все элементы плотно упакованы на поверхности с касанием: диска, заготовки и соседней гранулы по наружной поверхности пленки.

Рис. 2.20. К расчету концентрации гранул

Концентрация может быть оценена как соотношение объема, занятого гранулами с пленкой ( ) к объему, занятому водой ( )

(2.8)

где

Здесь – коэффициент, учитывает заполнение пространства шаровидными телами ( );

– количество гранул, которое может разместиться на рабочей поверхности диска при отсутствии вращения заготовки;

(2.9)

где – диаметр заготовки;

– ширина диска.

,

где – глубина лунок на аноде и катоде.

,

где – коэффициент, характеризующий среднее соотношение глубин лунок на аноде и катоде.

Тогда выражение 2.8 примет вид

(2.10)

Как показано в модели процесса некоторая часть гранул оседает в период между циклами, за счет гравитационных сил не попадает в паз, как более тяжелая сбрасывается с диска, что приводит к обеднению смеси в 1,6—1,8 раза (среднее значение 1,7).

С учетом сказанного

( 2.11)

Расчеты, выполненные для реальных составов суспензий, показали что концентрация гранул в рабочих средах находится в пределах 15–20 %.

Из схемы на рис. 2.20 можно найти объем, занимаемый пленкой ( ) и концентрацию добавки

,

где

Здесь аналогична (2.9) и после преобразований с учетом (2.11) находим

(2.12)

Для условий расчета в (2.11) концентрация глицерина составит 1,5–2,8 %.

Оптимальный состав суспензии (по объему):

гранулы (каолин) – 16–20 %

вязкие присадки (глицерин) – 1,5–3 %

техническая вода – остальное.

Особенности протекания процесса в воздушной среде. Электроконтактную обработку и упрочнение можно выполнять в газовой (воздушной) среде. Основные закономерности процесса, рассмотренные выше для жидкой среды, справедливы и для воз­духа. Тем не менее имеются некоторые особенности. Так, при электроконтактной обработке существуют три источника теплоты: а) ме­ханический б) за счет электрического сопротивления в месте кон­такта электродов, и в) дуговой. Если напряжение на электродах невелико (1...2 В), то наибольший нагрев дает трение. При напря­жении до 10 В теплота выделяется в основном за счет сопротивле­ния в местах соприкосновения электродов. При В нагрев идет в основном за счет прерывистой дуги. Чем выше скорость вращения или перемещения электрода-инструмента, тем чаще происходят дуговые разряды и меньше их длительность.

Переход искровых разрядов в дугу оказывает влияние на физику протекания процесса обработки. После возникновения канала про­водимости в межэлектродном воздушном промежутке устанавлива­ется дуговой разряд. Причем в процессе разряда в воздухе вместо газового пузыря образуется прогретая оболочка канала. Расплав­ленный металл выбрасывается из межэлектродного промежутка подвижным электродом-инструментом.

Энергия импульса и его длительность оцениваются зависимо­стями (2.1) и (2.3). Для электроконтактной обработки используют не только постоянный, но и переменный ток. При переменном токе длительность импульса принимают равной половине периода:

Длительное время горения дуги усложняет тепловые расчеты, здесь необходимо определять теплообмен с учетом перемещения ис­точника теплоты за время импульса. Условия подвода теплоты для заготовки и подвижного электрода-инструмента будут иметь су­щественные различия. Действительно, в период протекания дуги электрод-инструмент перемещается и источник теплоты будет воз­действовать в течение одного импульса на разные его участки. Чем больше скорость электрода-инструмента, тем на большую площадь распределяется тепловой поток, меньше становится его средняя плотность и, следовательно, меньше износ.

При электроэрозионном упрочнении и легировании материал с анода (инструмента) переносится на катод (заготовку). Жидкий металл обоих электродов взаимодействует, образуя новые сплавы, попадающие на поверхность заготовки. Образуются нитриды ме­таллов, а при работе графитовыми электродами-инструментами формируются карбиды, придающие поверхности высокую износо­стойкость. Происходит также диффузия материала электрода-ин­струмента в катод, измельчение зерен в приповерхностном слое. Образуется прочно связанный с заготовкой слой металла, толщина которого составляет десятые доли миллиметра. К особенностям про­цесса электроискрового легирования следует отнести необходимость периодического контакта электродов с помощью вибратора, колеб­лющегося с частотой 50 Гц. Время касания 0,6...2 мс. Основной выброс металла происходит во время контакта электродов. Дли­тельность импульса мкс.

Толщина и свойства слоя металла, полученного в процессе ле­гирования, зависят от энергии импульса. Чем мощнее импульс, тем толще слой, но выше его шероховатость и ниже сплошность.

2.4. Расчет технологических показателей процесса

2.4.1. Производительность

Многократно повторяя импульсы, можно удалить слой металла по всей обрабатываемой поверхности. Для поддержания процесса необходимо постоянно сближать электроды. Через некоторое время обработанный участок заготовки повторит форму, обратную форме электрода-инструмента. Производительность процесса электро­эрозионной обработки оценивается отношением объема или массы удаленного металла ко времени обработки. Такой критерий оценки неприменим для способа разрезания заготовок непрофилированным электродом, так как объем металла, удаленного за счет эрозии, не­значителен, а его основная часть удаляется в виде цельного куска. Под производительностью обработки непрофилированным электро­дом понимают отношение площади боковой поверхности паза ко времени обработки. Площадь боковой поверхности определяется произведением длины пути, пройденного проволочным электродом-инструментом в направлении подачи за время обработки, на тол­щину заготовки. Так же можно оценивать производительность раз­резания диском и лентой. Здесь ширина паза не сказывается на форме и размерах заготовок, поэтому ее можно не учитывать.

Если бы удалось вести процесс при постоянной энергии импуль­сов, то производительность можно было бы оценить как произведе­ние энергии импульсов на их частоту. На практике условия проте­кания каждого отдельного импульса могут отличаться из-за раз­личий в состоянии межэлектродного промежутка и размера зазора, несоответствия между числом импульсов, выработанных генерато­ром и реализуемых в зазоре, а также из-за прочих причин. При расчете

,

где – энергия импульса; – коэффициент, учитывающий коли­чество холостых импульсов: (здесь – частота импуль­сов, вырабатываемых генератором; – частота импульсов, вызы­вающих эрозию).

Для получения высокопроизводительного режима необходимо, чтобы был ближе к единице, т.е. чтобы как можно больше им­пульсов участвовало бы в процессе эрозии. При малой частоте им­пульсов в случае высокой частоты Через а обо­значен объем металла, снимаемого одним или несколькими импуль­сами с суммарной энергией 1 Дж. Объем расплавленного металла можно найти из уравнения (2.4), если принять температуру Т на 50...100 К выше температуры плавления материала электрода. Введя коэффициент и выразив частоту через длительность импульса , расчет ведут по зависимости

(2.13)

где – скважность; – коэффициент, который находят экспери­ментально, зависит от вида и состояния рабочей среды, ее прокач­ки, материалов и размеров электродов, характеристики импульсов.

Таким образом, повысить производительность можно, если по­добрать оптимальное сочетание факторов, позволяющих увеличить долю полезной энергии импульса, его мощность и частоту следова­ния рабочих импульсов. Для этого необходимо достичь оптималь­ного соотношения между максимальным значением силы тока в импульсе и его длительностью . Например, в случае режимов обработки со средней силой тока 10...100 А наибольшая производительность может быть достигнута при соотношении MA/c.

Для черновых операций используют импульсы с энергией более 1 Дж, для чистовых – от 0,1 до 1 Дж и отделочных –менее 0,1 Дж. Технологические показатели рассматриваются для жидкой диэлек­трической среды.

При малой площади обработки число участков, на которых воз­можен разряд, значительно меньше, чем число импульсов, посту­пающих от генератора, так как часть площади перекрыта газовы­ми пузырями от предшествующих разрядов. Время существования газового пузыря в 5...10 раз больше, чем длительность импульса. А разряд через газ возможен только при более высоком напряже­нии, поэтому часть импульсов генератора не вызывает эрозии. Снижается коэффициент , а следовательно, и производитель­ность .

Если увеличивать площадь обрабатываемой поверхности, то ско­рость съема металла будет возрастать, но в дальнейшем произой­дет ее снижение. Это объясняется тем, что с течением времени ухудшаются условия удаления продуктов обработки из межэлек­тродного промежутка. Все большее число импульсов генератора не будет вызывать эрозии из-за накопления газов и металлических частиц в пространстве между электродами.

Количество продуктов обработки зависит также от энергии им­пульсов, их числа и времени действия, т.е. от мощности, реализуе­мой в межэлектродном промежутке. При малой мощности количе­ство расплавленного металла невелико, с ростом подводимой мощ­ности оно возрастает, но при этом увеличивается и количество продуктов обработки, которые тормозят процесс съема металла. Для получения высокой производительности необходимо правильно выбрать сочетание площади обрабатываемой поверхности и мощ­ности. Такой выбор выполняют с помощью пространственных диаг­рамм в координатах сила тока – площадь обработки – производи­тельность.

При разрезании заготовок непрофилированным электродом-ин­струментом влияние площади обработки учитывают через произве­дение толщины заготовки на ширину паза, которая зависит от диаметра электрода-инструмента. Наибольшее влияние на произво­дительность толщина заготовки оказывает при использовании прово­локи диаметром менее 0,1...0,15 мм, когда условия удаления продуктов обработки из паза неблагоприятны. Если толщина заготовки больше 25...30 мм, то скорость разрезания снижается. Для заготовок толщиной свыше 30 мм необходимо применять проволоч­ные электроды-инструменты с диаметром не менее 0,2...0,25 мм.

По мере углубления отверстия усложняется удаление продуктов обработки и поступление свежей жидкости в межэлектродный про­межуток. Наличие большого количества электропроводных капель застывшего металла вызывает импульсы, энергия которых тратится на вторичное расплавление таких частиц. Для предотвращения та­ких «паразитных» импульсов используют принудительную прокачку жидкости через межэлектродный промежуток под давлением 100...200 кПа. Это в свою очередь требует повышения жесткости техно­логической системы.

Прокачку можно применять и при периодическом прекращении процесса с выведением электрода-инструмента из заготовки; ис­пользуют также вибрацию электродов, их вращение и др. При выведении электрода-инструмента загрязненная жидкость удаляется из зоны обработки, а туда поступает свежая. Цикл такой замены 15...30 с при скорости перемещения электрода-инструмента 5...6 мм/мин.

Если площадь обрабатываемой поверхности постоянна по глу­бине, то скорость линейной подачи электрода-инструмента

, (2.14)

где – площадь проекции обрабатываемой поверхности на плос­кость, перпендикулярную направлению подачи; – производитель­ность, находимая по формуле (2.13). По известной скорости подачи можно рассчитать время обработки на станке и трудоемкость опе­рации.

Если площадь переменная, то на чертеже обрабатываемого уг­лубления перпендикулярно направлению подачи электрода-инстру­мента проводят секущие плоскости. Число сечений выбирают та­ким, чтобы с достаточной точностью установить закон изменения площади сечений по глубине обработки. Во всех случаях число сечений не должно быть менее 4. Для каждого сечения находят площадь обрабатываемой поверхности. По диаграммам, прилагае­мым к станкам, для каждого сечения определяют производитель­ность. Затем по формуле (2.14) рассчитывают среднюю скорость подачи и устанавливают закон изменения скорости электрода-инст­румента по глубине.

В зависимости от свойств рабочей среды изменяются доля по­лезного использования энергии импульса, его предельная мощность. Для каждого вида обработки применяют оптимальные диэлектри­ческие среды. Так, при электроэрозионном процессе с малой энер­гией импульса высокую производительность обеспечивает дистил­лированная и техническая вода, керосин; при грубых режимах на электроимпульсном режиме применяют тяжелые фракции нефти (масла, дизельное топливо и др.) с высокой температурой вспышки (до 450 К).

В процессе обработки жидкая рабочая среда загрязняется, из-за чего снижается производительность. Загрязненность оценивают процентным отношением массы продуктов обработки к массе жид­кости. При загрязненности до 4...5 % для черновых и 2...3 % для чистовых режимов производительность остается практически одина­ковой по сравнению с чистой средой. Дальнейшее возрастание со­держания продуктов обработки, особенно на чистовых режимах, приводит к снижению числа рабочих импульсов и производитель­ности.

В процессе остывания частицы металла вызывают испарение части жидкости, изменение ее вязкости и зольности. Для поддер­жания высокой производительности необходимо периодически за­менять рабочую среду.

Глубина лунки, получаемой на заготовке после каждого импуль­са, при одинаковых условиях обработки зависит от свойств обраба­тываемого металла (температуры плавления, температуропровод­ности и энтальпии в расплавленном состоянии).Обрабатывае­мость оценивают отношением массы снятого исследуемого металла к массе металла, снятого с заготовки из стали 45 при оди­наковых условиях обработки. Сталь 45 выбрана как наиболее ши­роко применяемый конструкционный материал.

Вольфрам при прямой полярности имеет коэффициент обраба­тываемости 0,7; молибден – 0,8; алюминий – 1,5; магний – 2,5. Обрабатываемость железа близка к единице. Чугун имеет низкую обрабатываемость из-за включений свободного графита. Жаропроч­ные сплавы благодаря низким температуропроводности и теплосо­держанию в расплавленном состоянии обрабатываются лучше ста­ли 45.

Для повышения производительности на обрабатываемой площа­ди может быть параллельно размещено несколько электродов-ин­струментов. Если они подключены к одному генератору импульсов, то такая обработка называется мно­гоэлектродной. При подключе­нии каждого электрода к своему ис­точнику питания обработку называют м н о г о кон-т у р н о й. На схеме, при­веденной на рис. 2.21, показаны па­раллельно работающие от общего ге­нератора электроды-инструменты /, 2, 3, которыми прошивают отверстия в заготовке 4, т. е. имеет место много­электродная обработка. Многоконтурный и многоэлектродный ви­ды обработки возможны при изготовлении одной или нескольких деталей. Повышение производительности достигается за счет со­кращения доли холостых импульсов.

Рис. 2.21. Схема многоэлектродной обработки

Для многоконтурной и многоэлектродной обработки расчет про­изводительности следует выполнять по формуле, аналогичной (2.13), с учетом числа инструментов

. (2.15)

Здесь , где – коэффициент, учитывающий взаимное влия­ние контуров или электродов на скорость эрозии. При числе конту­ров ; при . Чтобы сохранить высокую производительность и не усложнять оборудование, число контуров обычно не превышает 9...10; число электродов в одной оправке может достигать сотен штук.

При электроконтактной обработке в воздушной среде скорость съема металла зависит от тех же факторов, что и при эрозии в жидкости. Однако условия теплообмена в рассматриваемом слу­чае имеют существенные отличия. Электроды при работе постепен­но нагреваются до высоких температур, что не наблюдается при работе в жидкостях. При этом способе используются большие токи, а поскольку зависимость скорости съема от среднего тока имеет характер, близкий к линейному, то производительность процесса можно оценивать через силу тока:

(2.16)

где – коэффициент, учитывающий режим обработки и материал электродов.

При разрезании заготовок производительность

(2.17)

где ( – толщина заготовки).

Скорость электроконтактного разрезания материалов в воз­душной среде достигает 2...3 мм/с, что в 5...10 раз выше, чем при механической обработке.

Производительность легирования оценивают отношением пло­щади нанесенного слоя ко времени. Она зависит от режима обра­ботки и материала электрода-инструмента. Если наносят твердые сплавы, то скорость покрытия составляет в зависимости от режи­мов 2...8 мм²/с, в случае серебрения – до 15...20 мм²/с. Толщина слоя обычно не превышает 0,08...0,12 мм.