В. И. Суворов Краткое пособие для ликбеза

Принцип действия и устройство проволочно-вырезного электроэрозионного станка

В основе электроэрозионной обработки лежит съем материала заготовки за счет выплавления и испарения при электрическом пробое межэлектродного промежутка (зазора) в жидкой диэлектрической среде. Необходимым условием электроэрозионной обработки материала является его достаточная электропроводность; этому условию удовлетворяют все металлы и многие другие материалы, в частности, полупроводники.

В проволочных станках электродом-инструментом является натянутая проволока диаметром 0.03..0.3 мм, а диэлектрической средой – обычная деионизированная (т.е. имеющая низкую электропроводность) вода. Между заготовкой и проволокой от специального генератора подаются импульсы напряжения порядка 50..250В; если в какой-либо точке межэлектродного промежутка напряженность электрического поля превзойдет критическую, происходит пробой с образованием плазменного канала (как при ударе молнии), обеспечивающего протекание импульса тока, в результате которого происходит частичное разрушение (эрозия) в виде микроскопических лунок как на заготовке, так и на проволоке. Полярность напряжения (минус к проволоке) выбирается так, что в большей степени разрушается заготовка. Вода в межэлектродном зазоре вымывает продукты эрозии и охлаждает проволоку; для повышения интенсивности процесса вода обычно подается в зону резания под значительным давлением (до 20 бар).

Электрические импульсы следуют с высокой частотой; в результате происходит равномерная эрозия по длине зазора, т.к. пробой каждый раз происходит в самом узком месте, а в результате образования лунки зазор здесь увеличивается. По мере расширения зазора в результате эрозии проволоку и/или заготовку перемещают в нужном направлении относительно друг друга, чтобы процесс продолжался непрерывно; таким образом осуществляется резание заготовки любой твердости, в результате которого можно получить с высокой точностью линейчатую поверхность нужного вида, не обязательно цилиндрическую, т.к. можно не просто перемещать проволоку параллельно самой себе, а непрерывно изменять ее наклон. Как правило, заготовка располагается в горизонтальной плоскости, рабочий участок проволоки (без наклона) – вертикально, хотя существуют исключения, когда для весьма специфических случаев рабочий участок проволоки располагается горизонтально. Разумеется, контур, по которому перемещается центр проволоки на том или другом конце рабочего участка, должен отстоять от заданного на величину, определяемую радиусом проволоки и шириной эрозионного зазора (так называемое эквидистантное смещение).

Скорость резания зависит от температуры плавления, тепло- и электропроводности материала, условий промыва эрозионного промежутка и др. и примерно пропорциональна мощности, выделяемой в зазоре, причем чем выше скорость, тем хуже горизонтальная и вертикальная точность и шероховатость поверхности. Это противоречие обычно преодолевается за счет нескольких проходов с последовательным уменьшением мощности генератора и соответственным изменением эквидистантного смещения. Поскольку на последних проходах съем материала мал, и обрывов из-за разрушения проволоки не бывает, для повышения качества обработки иногда используется противоположная полярность или переменный ток. Многопроходная обработка с уменьшающейся мощностью генератора желательна также с точки зрения уменьшения толщины измененного слоя, образующегося в результата сильного местного нагрева при резании. За несколько проходов можно вырезать не только матрицу, но и пуансон, необходимо только оставить перемычку в месте, удобном для зачистки после отрезания.

Практическое воплощение этих простых принципов в электроэрозионном станке сопряжено с серьезными техническими трудностями, обусловленными тем, что нужно не просто резать заготовку, а обеспечивать при этом приемлемые показатели качества: точность размеров детали, шероховатость поверхности, производительность (скорость резания), а также выполнение ряда вспомогательных функций, например, прецизионных измерений с целью базирования. Кроме того, станок должен быть достаточно долговечен, надежен, прост и не очень дорог в эксплуатации, должен потреблять как можно меньше энергии, не портить окружающую среду и отвечать требованиям безопасности.

В отличие от прошивочных станков, у которых производительность измеряется объемом выплавляемого материала в единицу времени, производительность проволочно-вырезных станков – это площадь реза в единицу времени, т.е. полезный эффект. Точность размеров детали зависит не только от станка, но и от свойств заготовки и от проволоки, поэтому, чтобы характеризовать именно станок, в качестве параметра точности часто применяется не максимальное отклонение от номинального размера детали, а максимальное отклонение от усредненного по разным высотам размера вдоль соответствующей оси (например, параметр Tkm, используемый фирмой AGIE). При этом систематические ошибки, связанные с выбором эквидистантного смещения, на оценку не влияют. Шероховатость поверхности (класс чистоты) обычно характеризуется усредненной величиной высоты неровностей (например, параметры Ra или Rz).

Очевидно, что сколько-нибудь продолжительное резание без обновления проволоки невозможно ввиду ее разрушения, поэтому проволока при резании постоянно перематывается со скоростью порядка 0.5..15 м/мин; при этом необходимо поддерживать на рабочем участке натяжение порядка 3..20Н (0.3..2 кГ) в зависимости от диаметра, а также поддерживать точную фиксацию в пространстве концов рабочего участка проволоки с помощью специальных направляющих и, наконец, обеспечивать пропускание импульсов тока в сотни ампер через скользящий контакт с проволокой. Для повышения скорости резания исключительное значение имеет удаление продуктов эрозии из зазора, что достигается двухсторонним промывом при высоком давлении воды; струи промыва направляются сверху и снизу вдоль проволоки. Износостойкие направляющие проволоки (чаще всего симметричные, в виде фильер) и скользящие контакты токоподводов, а также сопла, формирующие струи промыва, конструктивно объединяются в верхней и нижней камерах, к которым подводятся электрические провода от генератора и шланги для подачи воды. Токоподводы обычно твердосплавные, имеют выпуклую рабочую поверхность и располагаются вблизи от направляющих вне рабочего участка. Расстояние от токоподвода до направляющей должно быть минимальным, а весь участок проволоки между скользящими контактами (а не только эрозионный промежуток!) должен омываться водой для охлаждения, поскольку через токоподводы по проволоке протекают очень большие импульсные токи. Токоподводы в поперечном сечении обычно представляют выпуклые симметричные фигуры с двумя или четырьмя рабочими поверхностями или даже круглые и могут не только поворачиваться, но и перемещаться вдоль своей оси перпендикулярно проволоке; в выбранном положении токоподвод фиксируется винтом. Поскольку достаточно сместить зону контакта на 2..3 мм, токоподвод допускает в общей сложности несколько десятков рабочих положений и может служить несколько месяцев даже при интенсивной работе.

Пара перпендикулярных осей X,Y обеспечивает движение заготовки относительно проволоки в горизонтальной плоскости, что достаточно для обычного цилиндрического резания. Нижняя камера условно неподвижна (т.е. ее кронштейн связан с корпусом станка при движении заготовки или с соответствующей кареткой при движении проволоки), а верхняя может перемещаться как по вертикали (ось Z), так и в горизонтальной плоскости (оси U,V), причем ось U параллельна X, а V – Y. Перемещение в плоскости UV обеспечивает наклон проволоки относительно плоскости основного движения XY, что необходимо для конического резания. Перемещение по оси Z позволяет согласовать положение верхней камеры с толщиной обрабатываемой заготовки, при этом нижняя камера постоянно установлена так, чтобы ее направляющая проволоки была по возможности ближе к плоскости стола крепления заготовки. Обычно в процессе резания положение оси Z не изменяется, так что в дешевых моделях иногда отсутствует автоматический привод, и ось Z перемещается и фиксируется вручную.

Одновременное синхронизированное перемещение по нескольким осям характерно и для станков, использующих механические принципы обработки; с этой точки зрения электроэрозионные станки даже проще, т.к. в них практически отсутствуют усилия резания, а значит требуются менее мощные моторы и приводы, но необходимы дополнительные системы электрода-проволоки, диэлектрика и генератора технологического тока. Автоматическое позиционирование по осям X, Y, U, V, Z и согласованное функционирование других систем предполагает обязательное наличие числового программного управления (ЧПУ), обычно реализуемого в современных станках на базе наиболее распространенных PC-совместимых компьютеров, но в промышленном исполнении.

В составе станка можно также выделить систему электропитания, которая не только вырабатывает и коммутирует необходимые питающие напряжения, но и обеспечивает правильный порядок включения и выключения, в том числе аварийного, выполняет диагностику, следит за состоянием питающей сети, поддерживает питание ЧПУ и дисплея от аккумуляторных батарей при кратковременном (до нескольких минут) пропадании сетевого питания, позволяет выполнять автоматическое отключение в так называемом «ночном» режиме по окончании программы или при возникновении ситуации, когда продолжение работы невозможно без вмешательства оператора, и др.

Ниже рассматриваются функции основных систем проволочно-вырезных станков и предъявляемые к ним требования.