Система диэлектрика

В отличие от простейших систем диэлектрика старых отечественных станков, которые имели лишь рабочую ванну и две трубы с вентилями – от водопровода и в канализацию, современные станки работают в замкнутом цикле и включают систему водоподготовки – фильтр для очистки воды от продуктов эрозии (микрочастиц размером в несколько микрон), деионизатор (емкость с ионообменной смолой), холодильник и один или несколько насосов низкого давления, прокачивающих воду через перечисленные устройства.

Насос высокого давления обеспечивает промыв эрозионного промежутка. Струи промыва формируются концентрическими относительно проволоки соплами. Сопла часто делаются подвижными вдоль оси проволоки, что позволяет прижимать их к поверхности заготовки пружинами или потоком воды, т.е. повышать давление в зазоре и улучшать промыв. Увеличение давления и потока воды при промыве зазора полезно тоже не всегда, т.к. вызывает колебания проволоки и увеличение вертикальных искажений («подушки» или «бочки»). Поэтому при повторных (чистовых) проходах, призванных улучшить геометрию и качество поверхности, давление промыва резко снижается.

Обычно в систему диэлектрика входит ряд пускателей и клапанов (электромагнитных или с пневматическим приводом), позволяющих выбирать способ и давление промыва сверху и снизу и управлять процессом автозаправки проволоки. В новых моделях применяется плавное изменение давления за счет электронной регулировки скорости мотора привода насоса. Это позволяет устранить ручные регуляторы и клапаны ступенчатого переключения давления, а также увеличить ресурс насоса и холодильника, уменьшить расход электроэнергии и нагрев воды. Для обеспечения правильного функционирования системы в ее состав кроме описанных элементов могут также входить датчики проводимости и уровня воды, температуры воды и воздуха, манометры и электронные датчики давления.

Наиболее распространенные проволочно-вырезные станки, называющиеся струйными, этим и ограничиваются; у них нет, в сущности, рабочей ванны, а лишь ограждение, защищающее от брызг; так называемые «погружные» станки имеют наполняемую ванну, куда целиком помещается заготовка; в некоторых станках ванна может быстро опускаться и подниматься, что позволяет экономить время на наполнение и слив при проведении заправки проволоки, удалении выпадающей части и т.п. Очевидным достоинством струйных станков является простота: не нужна герметичная ванна, требуется меньшее количество воды и меньшая жесткость конструкции в случае подвижной ванны. Однако, альтернативная конструкция с наполняемой рабочей ванной имеет свои преимущества, главным из которых является равномерность температуры заготовки, что минимизирует погрешности формы из-за местного теплового расширения. Кроме того, в погружном станке нет трудностей, связанных с подачей воды в зазор при резании на краю очень толстых заготовок или при наличии в заготовке нескольких полостей, расположенных по вертикали. Для наполнения рабочей ванны могут использоваться насосы промыва или фильтрации или (особенно для больших ванн) специальный насос.

Основой водоподготовки является фильтрация. Насос фильтра постоянно всасывает воду из «грязевого» отсека ресурсной ванны, куда вода с продуктами эрозии стекает из рабочей ванны, и подает воду через фильтр в «чистовой» отсек, откуда ее забирает насос высокого давления и через систему клапанов и, возможно, регуляторов, подает в зону резания. Обычно расход воды фильтрового насоса больше, чем насоса промыва, поэтому «чистовой» отсек всегда заполнен, а излишек переливается обратно в «грязевой». В противном случае (например, при сильном загрязнении фильтра) уровень воды в «чистовом» отсеке будет снижаться, и, когда будет достигнуто минимально допустимое значение, насос промыва необходимо остановить во избежание его повреждения при работе без воды. В качестве датчика этого уровня можно использовать установленный на заданной высоте датчик проводимости воды, т.к. проводимость воздуха практически равна нулю. Точно так же нужен датчик минимального уровня «грязевого» отсека; общий недостаток воды, фиксируемый этим датчиком, может быть вызван утечками или испарением.

Современный фильтр представляет собой лист бумаги или другого материала с микроотверстиями, для уменьшения занимаемого объема сложенный гармошкой и свернутый так, что поперечное сечение имеет вид многолучевой звезды; фильтрующий материал помещен в цилиндрический каркас, на торцах которого есть специальные фланцы для ввода или вывода воды. Применяются две основные схемы фильтрации: с направлением потока снаружи внутрь или наоборот. В первом случае необходима специальная дорогостоящая емкость из нержавеющего материала, куда помещается каркас с фильтром, чтобы создать на его входе необходимое давление, а во втором фильтр может быть помещен непосредственно в чистовой отсек. Однако, первый вариант имеет и свои преимущества, т.к. грязь скапливается с наружной стороны, что позволяет многократно использовать фильтр после просушки и чистки. Нередко применяются несколько параллельно подключаемых фильтров, что увеличивает период замены и в принципе позволяет выполнять ее при работе станка.

Чистая вода с выхода фильтра также пропускается через емкость с ионообменной смолой; когда проводимость достигает заданной (обычно 10..50 мкСим/см), специальный клапан на выходе деионизатора перекрывают, прекращая доступ воды с низкой проводимостью в «чистовой» отсек. Надо заметить, что при плохой фильтрации грязь, попадающая в деионизатор, облепляет гранулы смолы, блокируя ее работу, поэтому своевременная замена фильтров не только улучшает состояние зазора, но и сохраняет дорогостоящую смолу. Деионизация, т.е. уменьшение проводимости воды, позволяет уменьшить ее шунтирующее действие, которое особенно проявляется в погружных станках, где площадь соприкосновения воды и проводящих поверхностей, связанных с проволокой и с заготовкой, велика, и эквивалентное сопротивление, включенное параллельно зазору, мало. Это малое сопротивление приводит к тому, что для достижения пробивного напряжения (десятки вольт) необходимо развить большую мощность генератора, что нехорошо само по себе; кроме того, при резистивной схеме балластное сопротивление, представляющее собой верхнее плечо делителя напряжения, должно быть мало, т.е. амплитуда тока после пробоя будет большой, что ухудшает шероховатость при подчистке. Уменьшение же пробивного напряжения за счет сужения зазора чревато нестабильностью процесса – небольшие колебания ширины сопровождаются либо короткими замыканиями, либо отсутствием пробоев; то и другое приводит к временному прекращению эрозии, т.е. появлению полос на поверхности. При использовании схемы с перезарядом конденсатора и коротких импульсах напряжения шунтирующее влияние воды проявляется меньше, но все равно ведет к увеличению минимальной энергии импульса и ухудшению шероховатости. Слишком высокая проводимость воды нежелательна еще по причине ускоренного окисления и электролитического растворения заготовки и элементов конструкции станка, если напряжение генератора технологического тока содержит заметную постоянную составляющую. Для таких активных металлов, как алюминий, окисная пленка заметно ухудшает условия электроэрозионной обработки. Кроме того, соли жесткости воды портят трубопроводы и вызывают повышенную коррозию.

Охлаждение чистой воды производится либо прокачиванием ее через теплообменник холодильного агрегата, либо помещением охлаждаемой спирали непосредственно в «чистовой» отсек. Оптимальным является поддержание температуры воды, которая нагревается при прохождении через насосы и за счет выделения тепла при эрозии, близкой к температуре воздуха. Это обеспечивает минимальные искажения формы детали из-за тепловых расширений и позволяет поддерживать равновесное состояние при фиксированной мощности холодильника, если температура воздуха изменяется. Поэтому в современных системах диэлектрика кроме датчика температуры воды используется в качестве опорного также датчик температуры воздуха. Чтобы не происходило слишком частое включение и выключение холодильника из-за влияния случайных факторов, при регулировании вводится гистерезис на dT=0.5..1 градуса, т.е. температура воды, при которой холодильник включается, на dT выше температуры, при которой он отключается. Точно так же вводится гистерезис и при регулировании проводимости, и вообще всегда, если параметр регулирования – непрерывная величина, а управляющее воздействие дискретно.

Во многих станках, особенно старых, суппорт UV расположен в непосредственной близости от верхней камеры и вместе с ней перемещается по оси Z. Если такой станок – погружной, (например, AGIE-100/200), возникает проблема регулирования уровня воды в рабочей ванне, поскольку он не может быть ниже верхней направляющей, но не может быть выше подвижных частей или электромоторов суппорта UV, т.е. номинальный уровень воды задается координатой Z. Поскольку при резании используется промыв с притоком воды, в любом случае превышающем утечки, регулирование осуществляется периодическим открыванием сливного клапана. Текущий уровень определяется специальным измерителем, для которого достаточна точность 5..10мм. Измеритель фирмы AGIE построен в виде дискретного потенциометра, представляющего собой многоступенчатый резистивный делитель напряжения, каждая ступень которого соединена с выходной клеммой через герметичный контакт (геркон); все герконы размещены равномерно и смонтированы вместе с резисторами на узкой вертикальной плате, помещенной в герметичную неферромагнитную (латунную) трубку, причем включаются герконы кольцевым магнитом, прикрепленным к тороидальному поплавку, надетому на трубку. Напряженность поля, создаваемого магнитом, такова, что при любом его положении один или два ближайших соседних геркона замкнуты, так что при перемещении поплавка с магнитом вдоль трубки при изменении уровня воды выходное напряжение делителя соответственно пропорционально изменяется, не проваливаясь до 0 при переходе к новому уровню. В альтернативной конструкции, где суппорт UV и вообще все элементы, боящиеся воды, расположены далеко от зоны обработки (как, например, в станках SODICK), точное программное регулирование уровня воды в рабочей ванне не нужно; уровень может грубо ограничиваться сверху передвижной заслонкой, через которую происходит перелив излишков через дренаж в ресурсную ванну.

Система диэлектрика может выполнять и некоторые вспомогательные функции, например, аспирацию (всасывание) из зазора, в то время как с другой стороны подается струя под давлением. Аспирация используется также для отвода небольшого количества утечек из-за неидеальных уплотнений при выводе проволоки из ванны ниже уровня воды. Иногда в систему диэлектрика входит специфический насос, создающий давление в несколько десятков бар при небольшом расходе воды для промыва зазора при проделывании заходных отверстий в заготовке с помощью электроэрозии, где в качестве электрода-инструмента используются латунные стержни диаметром около 3 мм с внутренними каналами для подачи воды. В некоторых конструкциях прецизионных станков используются отдельные трубопроводы для водяного охлаждения токоподводов, электромоторов и др.