Электроэрозионная обработка (ээо)
В настоящее время применяют несколько технологических схем ЭЭО.
Прошивание - удаление металла из полостей, углублений, отверстий, пазов, с наружных поверхностей. На рис. 5.9 показаны схемы изготовления углубления (а) и фасонного стержня (б).
Рис. 5.9. Схемы прошивания: а – паза; б – изготовление фасонного стержня
Электрод-инструмент 1 поступательно перемещается к заготовке 2 со скоростью vи. Оба электрода помещены в ванну 3, заполненную диэлектриком 4. Продукты обработки 5 выбрасываются в межэлектродный промежуток и оседают на дно ванны. Прошиванием можно получать поверхности как с прямой, так и с криволинейной осью.
Существует два варианта прошивания: а) прямое копирование, когда электрод-инструмент находится над заготовкой (рис. 5.9, а); б) обратное копирование с расположением заготовки над электродом-инструментом (рис. 5.9, б). Движение подачи здесь может осуществлять заготовка. Это позволяет облегчить удаление продуктов обработки и за счет сокращения числа боковых разрядов через частицы расплавленного металла в межэлектродном промежутке и повысить точность обработки детали.
Прошивание в электроискровом режиме профильным инструментом используют при прямом копировании: а) для изготовления ковочных штампов, пресс-форм небольших габаритов из твердых сплавов и сталей; б) для изготовления мелких сеток, волноводов, гребенок и других деталей радиоэлектронной промышленности; в) для прошивания отверстий и систем отверстий произвольного сечения в труднообрабатываемых материалах (наименьший диаметр круглого отверстия около 0,1 мм); г) для изготовления отверстий с криволинейной осью; д) для нарезания резьб в твердосплавных и закаленных стальных заготовках; е) при маркировании деталей; ж) для изготовления соединительных каналов в корпусных деталях гидроаппаратуры; з) для удаления обломков сверл, метчиков и других инструментов;
При обратном копировании прошивание в электроискровом режиме профильным инструментом используют: а) для изготовления фасонных наружных поверхностей, имеющих ступенчатые переходы, препятствующие выходу металлорежущего инструмента; б) для изготовления фасонных ступенчатых внутренних поверхностей.
Прошивание в электроимпулъсном режиме находит использование: а) при обработке ковочных штампов больших габаритов; б) для получения рабочего профиля крупногабаритных пресс-форм, например, в радиотехнической промышленности; в) для предварительной обработки объемных заготовок сложной формы, например лопаток турбин и компрессоров; г) для изготовления каналов сложного сечения с криволинейной образующей, например межлопаточных выемок в цельных колесах газовых турбин; д) для получения соединительных каналов в деталях гидроаппаратуры; для устранения дисбаланса у деталей из хрупких и твердых материалов, например, магнитных сплавов.
Разрезание профильным или непрофильным инструментом включает: а) разделение заготовки на части (отрезание); б) получение непрямолинейного контура (вырезание). Профильный электрод-инструмент1при разрезании деталей (рис. 5.10, а) может быть выполнен в форме диска или пластины. Его перемещают к заготовке2со скоростью vив плоскости его вращения вдоль детали. Обработка выполняется в ванне3с диэлектрической жидкостью4.
Рис. 5.10. Разделение заготовок: а – пластиной;
б – непрофилированным электродом-проволокой
Если разрезание выполняется пластиной с одним поступательным перемещением ее к заготовке, то это будет прошивание. В случае использования непрофилированного электрода (рис. 5.10, б) инструмент 1выполняют в форме круглой проволоки диаметром 0,002-0,3 мм или стержня, которые могут перемещаться в различных направлениях со скоростьюvив любой части заготовки2. Для устранения влияния износа электрода-инструмента на точность прорезаемых пазов проволоку или стержень перемещают (обычно перематыванием) вдоль оси со скоростьюv. Разрезание выполняют в ванне с диэлектрической жидкостью.
Разрезанием непрофилированным электродом-инструментом получают: а) узкие сквозные или глухие щели; б) вырубные штампы небольших габаритов из твердых сплавов и закаленных сталей; в) рабочую часть резцов и других инструментов: г) прорези в цангах с отверстиями малого диаметра (менее 2-3 мм); д) таблетки из магнитных, вольфрамовых сплавов, при обработке которых требуется достичь минимального расхода материала.
Электроэрозионное упрочнение, включающее легирование и наращивание поверхности, обычно осуществляют на воздухе. Частицы расплавленного металла инструмента на воздухе не успевают остыть и оседают на поверхности заготовки, образуя на ней слой сплава, насыщенного легирующими элементами электрода-инструмента (либо легирующим компонентом из состава рабочей среды). Кроме того, нанесенный на заготовку слой закален до высокой твердости и имеет за счет этого повышенную износостойкость.
Обработка в электроискровом режиме эффективна для изготовления прецизионных деталей небольших габаритов. Эффективность еще более повышается, если материал детали трудно поддается традиционным методам механической обработки или если обрабатываемая поверхность имеет сложную форму. Такие детали характерны для приборостроения, точного машиностроения, инструментального производства.
Обработка в электроимпульсном режиме характеризуется большей энергией разряда - высота неровностей здесь больше. Но за счет повышения энергии разряда достигается высокая производительность процесса, которая в 15-20 раз превышает аналогичный показатель при электроискровом режиме и составляет для стали до 250 мм/с, для твердых сплавов - 3-5 мм3/с. Учитывая малый износ электрода-инструмента и удовлетворительную энергоемкость, не превышающую аналогичного показателя для фрезерования, обработку на электроимпульсном режиме можно рекомендовать для замены фрезерования крупных полостей сложной формы, углублений, каналов, где механической обработкой не удается достичь высокой производительности или где затруднен доступ инструмента в зону резания. Такие изделия применяются во многих отраслях индустрии, в частности в энергетическом и транспортном машиностроении, в двигателестроении, радиотехнической промышленности.
Электроэрозионное шлифование в жидкой среде обеспечивает малую шероховатость поверхности и высокую точность размеров, но производительность здесь ниже, чем при абразивном шлифовании. Процесс протекает при малых усилиях на заготовку, поэтому не происходит ее деформации, не образуются заусенцы. Это позволяет успешно использовать способ для заточки инструмента, обработки нежестких конструкций, а также заготовок, где недопустимы заусенцы, например, деталей летательных аппаратов, приборов, изделий электротехнической промышленности.
Электроэрозионное шлифование в жидких средах используют: а) при изготовлении деталей из хрупких, вязких материалов и деталей, набранных из тонких листов (роторы электрических машин); б) для нарезания наружной резьбы на деталях из труднообрабатываемых сплавов и закаленных сталей; в) для получения прецизионных отверстий; г) для заточки твердосплавного режущего инструмента; д) для профилирования и правки электропроводных абразивных и алмазных кругов.
Станки для электроэрозионной обработки имеют генератор импульсов, систему очистки и подачи рабочей среды в зону обработки, средства регулирования и управления процессом. Конструкция станков зависит от габаритов, массы заготовок, требований к качеству поверхности, назначения станка. Электроэрозионное оборудование выпускается серийно или изготавливается по индивидуальным заказам. Оно может быть универсальным, специализированным и специальным. На рис. 5.11 показана типовая структура электроэрозионного станка.
Рис. 5.11. Структурная схема электроэрозионного станка
Механическая часть 1 включает рабочий стол для установки и закрепления приспособлений или заготовки, ванну для РЖ, устройство для закрепления электрода-инструмента, механизмы его перемещения, следящие элементы систем регулирования и управления процессом. Генератор импульсов 2 может быть как встроенным, так и вложенным в виде автономного блока. Электрошкаф 3 включает электрические узлы - пускатели, рубильники, предохранители и др. Рабочая жидкость хранится в ванне 4, которая комплектуется насосом и устройством для очистки среды от продуктов обработки. В большинстве электроэрозионных станков ванну помещают внутри механической части, сокращая потребную для размещения станка производственную площадь.
Укрупнено можно разделить электроэрозионные станки на копировально-прошивочные и проволочно-вырезные. В состав копировально-прошивочного оборудования входят следующие элементы: несущая конструкция 1с рабочей ванной2, установленной на столе3, способном перемещаться по заданным координатам, электрод-заготовка4и электрод-инструмент5, закрепленный в регуляторе подачи6, генератор импульсов7, система регенерации и подачи рабочей жидкости8, состоящая из насосов, фильтров, бака и др., система управления9(рис. 5.12).
Рис. 5.12. Принципиальная схема электроэрозионного
копировально-прошивочного станка
После установки и закрепления заготовки на столе станка, подведения ЭИ на заданный начальный зазор ванна заполняется рабочей диэлектрической жидкостью, включается устройство относительного перемещения электродов и на межэлектродный промежуток подаются электрические импульсы. Параметры последних выбираются в зависимости от решаемой технологической задачи и могут варьироваться в широких пределах.
Электрод-инструмент подключается преимущественно к положительному полюсу генератора, а обрабатываемая деталь - к отрицательному.
Поверхности обрабатываемой детали и электрода-инструмента не имеют между собой механического контакта. Между ними следящей системой поддерживается зазор определенной величины. При поступлении на электроды импульсов напряжения в межэлектродном зазоре возникают электрические разряды. Разряды при ЭЭО преимущественно локализуются в тех местах, где расстояния между поверхностями инструмента и детали имеют наименьшую величину. Так как межэлектродный зазор в месте действия одного или группы разрядов увеличивается, то новые разряды возникают в других местах, и постепенно воздействию разрядов подвергается вся поверхность. Электрод при этом постепенно погружается в заготовку, копируя в ней свою форму.
На вырезных станках процесс электроэрозионной обработки осуществляется при относительном перемещении перематывающейся с подающей катушки 1на приемную5проволоки-электрода3и обрабатываемой детали4по заданной траектории (рис. 5.13).
Рис. 5.13. Схема обработки при использовании
проволочно-вырезных станков
Процесс осуществляется в технологической рабочей жидкости (РЖ), в качестве которой используются вода, органические диэлектрические жидкости. При этом деталь либо погружается в рабочую жидкость либо последняя подается в зону обработки струей через сопло 2.
Проволоку можно перемещать по контуру вырезки вручную, контролируя траекторию движения по проектору, и автоматически - с использованием электроконтактных, оптико-электрических копировальных систем и систем ЧПУ.
В приводах, обеспечивающих такие перемещения, используются электродвигатели с регулируемой частотой вращения вала или мотор-редукторы, а для преобразования вращательного движения в прямолинейное чаще всего применяют шариковые винтовые пары (ШВП).
В последние годы в электроэрозионных станках применяют линейные сервоприводы. Они упрощают конструкцию, так как не требуются передаточные механизмы и механизмы преобразования вращательного движения в поступательное (рис. 5.14), практически отсутствует износ движущихся элементов привода.
Рис. 5.14
Важным элементом станков для ЭЭО является устройство автоматического регулирования межэлектродного зазора (МЭЗ). Качество такого регулирования, в конечном счете, определяет весь комплекс технологических показателей обработки, что вытекает из описания физической картины электрической эрозии материалов.
Регуляторы необходимы для поддержания размера межэлектродного зазора или изменения его величины в десятые и сотые доли миллиметра по заданному закону в течение времени обработки. В процессе электроэрозионной обработки возникает много случайных возмущений, вызванных наличием в межэлектродном промежутке электропроводных частиц, колебанием напряжения в сети и др. Регулятор не должен реагировать на такие сигналы, а поддерживать заданный режим подачи электрода-инструмента.
На рис. 5.15, а показана схема регулятора МЭЗ, в котором исполнительный механизм 1перемещает электрод-инструмент к заготовке или от нее в зависимости от сигнала из межэлектродного промежутка5. Сигнал о положении электрода-инструмента снимают измерительным преобразователем4и подают его в блок сравнения3. В нем заранее устанавливают опорный сигнал, который является базой для сравнения. Если сигнал, поступающий от измерительного преобразователя4, совпадает с опорным, то на исполнительный механизм1не поступает каких-либо команд. Если сигнал с преобразователя4отличается от опорного, их разность передается в усилитель2и далее, с учетом знака, на исполнительный механизм1, например обмотку управления реверсивного двигателя. Механизм1перемещает электрод-инструмент в соответствии со значением поступившего сигнала управления.
Рис. 5.15. Структурные схемы регуляторов величины МЭЗ
В описанной схеме опорный сигнал задается жестко и не зависит от изменяющихся условий обработки, что затрудняет достижение оптимального режима обработки. Оптимизация режима возможна в так называемых экстремальных схемах регуляторов (рис. 5.15, б). В этой схеме сигнал подается на исполнительный механизм 1через преобразователь3, блок сравнения4и усилитель5, далее через измерительный преобразователь6на блок оптимизации7, в котором анализируется реальное состояние межэлектродного промежутка2и производится корректировка управляющего сигнала с учетом получения наибольшего технологического показателя, например производительности. Далее сигнал идет на усилитель8и используется для изменения опорного сигнала в блоке сравнения4.
Для обработки полостей и наружных поверхностей сложной формы электроды-инструменты должны перемещаться по различным траекториям. Это может быть орбитальное движение электрода-инструмента, при котором он совершает плоскопараллельное круговое перемещение без вращения вокруг своей оси; осциллирующее движение, когда все точки электрода-инструмента в плоскости, параллельной поверхности стола станка, описывают окружности заданного диаметра; криволинейные движения; вибрация электрода-инструмента в одном или нескольких направлениях. Для этого в станке предусмотрена система рабочих перемещений электрода-инструмента.
Рабочие перемещения может совершать и деталь вместе с элементами технологической системы, на которых она базируется и закрепляется. В этом случае используют вибрационные и вращающиеся столы.
С целью повышения производительности, точности обработки и улучшения качества поверхности деталей целесообразно осуществлять прокачку рабочей жидкости (РЖ) через межэлектродный промежуток. Для этого в станках предусмотрена система очистки и подачи рабочей жидкости, состоящая из бака, ванны, насоса, фильтров, трубопроводной арматуры и др. (рис. 5.16).
Рис. 5.16. Система очистки и подачи рабочей жидкости
Рабочая жидкость из бака 1подается насосом2через фильтры4и устройство5регулирования расхода в рабочую зону. При этом возможны два варианта подачи РЖ: либо при открытом кране9через полый электрод-инструмент11в промежуток между ним и заготовкой12, либо через кран10непосредственно в рабочую ванну13. На рис. 1.10 также обозначены:3– манометры для измерения давления рабочей среды;14– отверстие для слива РЖ из рабочей ванны13в бак1;8– ротаметр.
Для стабилизации свойств РЖ применяют фильтры. Обычно последовательно ставят фильтры грубой и тонкой очистки. На небольших станках, где съем металла незначителен (до 400…500 г в смену), применяют фильтры с бумажными фильтрующими элементами, которые устанавливают по несколько штук в пакете в зависимости от напора рабочей среды. Широкое распространение получили намывные фильтры, в которых используются вспомогательные фильтрующие вещества. Они состоят из мелкопористых частиц с большой активной поверхностью, на которой происходит осаждение шлама. Используются также магнитные, сетчатые фильтры, центрифуги, сепараторы, гидроциклоны.
Съем металла при электроэрозионной обработке происходит вследствие суммарного воздействия на металл следующих друг за другом электрических импульсов. Формирование импульсов тока, подводимых к электродам электроэрозионного станка, производится при помощи генераторов импульсов.
Широкодиапазонные генераторы вырабатывают импульсы с частотой 1...880 кГц и выходным током 16...180 А, т. е. дают возможность работать на любых режимах электроэрозионной обработки. Кроме того, они вырабатывают импульсы такой формы, при которой износ электрода-инструмента становится минимальным.
Структурная схема широкодиапазонного генератора импульсов показана на рис. 5.17. Она включает в себя источник питания, силовые блоки, число которых может быть равно шести, с разделительным диодом Д, блок поджига, задающий генератор, предварительный усилитель мощности, межэлектродный промежуток (МЭП), блок защиты от коротких замыканий.
В состав силовых блоков и блока поджига включены силовые транзисторы, работающие в ключевом режиме и переключающиеся синхронно от задающего генератора. При включении транзисторов от блока поджига подается маломощный импульс. Он способствует пробою промежутка и формированию низковольтного разряда. До пробоя разделительный диод Д заперт. После пробоя напряжение на промежутке снижается до 40…25 В, диод Д открывается и через промежуток проходит импульс тока, значение которого определяется количеством включенных параллельно силовых блоков. Их синхронное выключение прерывает разряд. При коротком замыкании электродного промежутка МЭП все транзисторы силовых блоков отключаются. Подача импульсов к электроэрозионному промежутку возобновляется после ликвидации короткого замыкания.
Рис. 5.17. Структурная схема широкодиапазонного
генератора импульсов
Органы управления генератором позволяют регулировать следующие параметры импульсов: форму импульсов (прямоугольные или гребенчатые импульсы), частоту и скважность, количество импульсов в пакете, длительность паузы между пакетами, среднее напряжение на МЭП и средний рабочий ток. Регулировка частоты осуществляется в диапазоне 1…88 кГц.
При обработке импульсами прямоугольной формы как производительность, так и износ инструмента выше, чем при использовании гребенчатых импульсов. Поэтому форму импульсов выбирают исходя из решаемой технологической задачи с учетом размеров обрабатываемой поверхности.
Формы импульсов, обеспечиваемых данным генератором, представлены на рис. 5.18.
Рис. 1.13. Импульсы напряжения (1, 2) и тока (3) прямоугольной (а) и гребенчатой (6) формы, полученные в режиме холостого хода (1) и в рабочем режиме (2, 3):
А - поджигающий импульс, Б - силовой импульс, В - пауза между пакетами
Современные генераторы ШГИ позволяют эффективно обрабатывать одновременно до 10000 отверстий диаметром 0,5...1 мм. Обработка, например, 1000 отверстий диаметром 1,2 мм в листе из нержавеющей стали толщиной 1,5 мм производится за 25...30 мин с применением специальных многоэлектродных держателей.