Глава 1. Общие сведения об электроэрозионной обработке

1. История открытия элекроэрозионной обработки.

Еще в конце ХVIII в. английским ученым Дж. Пристли было описано явление эрозии металлов под воздействием электрического тока. Было замечено, что при разрыве электрической цепи в месте разрыва возникает искра или более продолжительная электрическая дуга. Причем искра или дуга разрушающее воздействовало на контакты разрываемой цеп.

Возникновение искры или дуги во время разрыва электрической цепи можно наблюдать в повседневной жизни. Так, они образуются при случайном разрывании троллейбусных проводов и бугеля, при плохих контактах в электроприборах или когда вынимают вилку из розетки и т.д. На электростанциях, где величина токов достигает колоссальных значений, для гашения возникающей дуги применяют специальные, дорогие выключатели. Таким образом разрушение контактов под воздействием электрической эрозии очень вредное явление. (1) (Размерная электрическая обработка металлов под редакцией А.В.Глазкова. М. «Высшая школа» 1978г.)

Над проблемой повышения стойкости контактов в годы Великой Отечественной войны работали супруги Б.Р. и Н.И. Лазаренко. Устранить разрушение контактов- такова была главная цель их исследований. С электроэрозией боролись всеми доступными средствами; применяли в качестве материалов электродов самые тугоплавкие металлы(вольфрам, молибден и т.д.), помещали контакты в жидкий диэлектрик- трансформаторное масло, однако эффект был обратный- в жидком диэлектрике контакты разрушались еще больше. Помещая контакты в жидкий диэлектрик и размыкая цепь, ученые заметили, что после первых же искр жидкость мутнела. Анализ жидкости показал. что в ней содержатся мелкие металлические шарики. При дальнейших исследованиях в качестве электрода катода был взят небольшого диаметра стержень, а в качестве электрода анода – достаточно широкая пластина. При включении электродов в электрическую цепь и сдвигании до соприкосновения и раздвигании электродов произошло то, чего никто и не ожидал; электрод катод провалился сквозь электрод- анод, при этом контур отверстия, образовавшиеся в электроде – анод,точно соответствовал контуру электрода – катода.

«Нужно было обладать недюжинным чутьем и богатым воображением, чтобы в этом неукротимым враге электриков- электроэрозии – рассмотреть чудодейственного помощника в обработке сверхтвердых материалов» - так говорил впоследствии профессор Н.Ф. Казаков. Открытие этого способа имело колоссальное значение. Оно перевернуло в металлообработке понятие возможного и невозможного.

Б.Р. Лазоренко и Н.И. Лазоренко за открытие метода обработки были удостоены высокого звания лауреатов Государственной премии.

В последующие годы большой вклад в развитие основополагающих исследований физики процесса электроэрозионной обработки в определении пути дальнейшего улучшения ее технологических характеристик внесли Б.Н. Золотых,А.С.Зингерман, Г.Н.Мещереков, Л.С.Палатником, А.Л.Лившиц, С.С.Подлазов, В.М. Щербак,Е.М. Левинсон, М.Ш.Отто и др.

Общая характеристика процессов ЭЭО.

Электрические разряды, возникающие между двумя электродами, находящимися на относительно небольшом расстоянии друг от друга, разрушают их поверхности. Это разрушение носит электротермический характер, так как при этом происходит нагревание, плавление и частичное испарение металла с поверхностей электродов. Принципиальная схема электроэрозионной обработки приведена на рис. 1. Прежде чем перейти к рассмотрению схемы электроэрозионнойобработки, введем некоторые понятия, принятые в технологии электроэрозионной обработки (ЭЭО). В общем виде электрод-инструмент 1 и обрабатываемую заготовку 2, подключенные к генератору импульсов 3 называют электродами. В рабочем положении электроды находятся на некотором расстоянии друг от друга. Область между электродами называют межэлектродным промежутком. Процесс ЭЭО ведется в диэлектрической жидкости 4, которую принято называть рабочей жидкостью. Стол станка с установленной на нем обрабатываемой заготовкой помещают в емкость, называемую рабочей ванной 5.

Рис.1

При приближении электрода-инструмента (1) к обрабатываемой заготовке (2) помещенных в диэлектрическую среду наступает такой момент, когда напряжение, подаваемое на электроды от генератора импульсов, будет способно пробить межэлектродный промежуток между наиболее выступающими участками электродов, в результате чего между электродами образуется плазменный канал проводимости 3 (рис.2, а, б).

При ЭЭО электрическая энергия в зоне обработки выделяется в течение малого отрезка времени, измеряемом 10^-6-10^-3с.

Благодаря малому размеру диаметра канала dк (от нескольких мкм до десятых долей мм) и скоротечности процесса плотность выделяемой энергии в течении одного разряда огромна, что предопределяет повышение температуры в канале разряда до 10000°С.

В результате металл, нагретый выше температуры кипения Тк будет удален из обрабатываемой заготовки в испаренном состоянии (зона 6), другая часть металла будет удалена в расплавленном состоянии (зона 5), а некоторый объем металла (зона 4) остается при температуре, находящейся между температурой плавления и исходной температурой То обрабатываемой заготовки (рис.2, б). Несмотря на то, что температура в канале разряда может доходить до 10000°С, обрабатываемая заготовка в связи с малой длительностью разряда остается холодной, ее температура не превышает температуры рабочей жидкости.

Рис.2

После каждого разряда , поражающего ограниченный участок, на поверхности обрабатываемой заготовки остается углубление в виде лунки, которая в сечении по форме близка к шаровому сегменту (рис.3). Диаметр лунки dл больше ее глубины Hл в 8-50 раз.

После удаления некоторого объема металла единичным разрядом величина межэлектродного промежутка в данном месте увеличивается и наивыгоднейшие условия для его пробоя создаются где-то на другом участке, где величина межэлектродного промежутка наименьшая. Такой “выбор” места образования каждого разряда определяет избирательный характер удаления металла, обуславливающий высокую точность обработки деталей.

Из характера образования новой поверхности ясно, что она не имеет направленной шероховатости. Качество поверхности, включая геометрические и физические ее показатели, после ЭЭО во всех направлениях одинаково, т.е. не зависит от направления ее рассмотрения. В этом одно из принципиальных отличий поверхности, полученной в результате ЭЭО, от поверхности, обработанной традиционным способом.

Рис.3

Таким образом, ЭЭО характеризуется следующими основными особенностями:

а) ЭЭО можно обрабатывать токопроводящие материалы с любыми физико-химическими свойствами. Эта особенность определяется высокой концентрацией энергии, выделяемой в зоне обработки.

б) На процесс ЭЭО оказывают влияние теплофизические характеристики электродов (теплопроводность, температуропроводность, теплоемкость, температура испарения и плавления и т.д. ). Эта особенность ЭЭО определяется тем, что металл в процессе обработки удаляется в испаренном и расплавленном состоянии.

Механические свойства материала (твердость, прочность и т.д.) не оказывают какого-либо принципиального влияния на характер протекания ЭЭО

в) Для осуществления высококачественной обработки деталей с высокой точностью необходимо импульсное выделение электрической энергии непосредственном в зоне обработки в течение 10^-3-10^-6с. Несоблюдение этого условия приводит к грубому проплавлению обрабатываемой поверхности, образованию наплывов, глубокому дефектному слою, делает невозможным получение точных деталей.

г) ЭЭО производится, как правило, без непосредственного соприкосновения электрода-инструмента с обрабатываемой заготовкой. В результате отсутствует механическое усилие между электродом-инструментом и обрабатываемой заготовкой.

д) При обработке не требуется применять инструмент из более твердого материала, чем обрабатываемая заготовка.

Эта особенность определяется тем, что в процессе ЭЭО отсутствует непосредственный контакт электродов, удаление металла с заготовки связано не с силовым воздействием инструмента на обрабатываемую поверхность, а с выделением на ограниченной площади в течение короткого времени большого количества тепла, В связи с этим материал электрода-инструмента должен иметь высокую электропроводность, большой коэффициент теплопроводности и температуропроводности, высокую температуру испарения и плавления и т.д

ж) После каждого импульса на обрабатываемой поверхности образуется чечевицеобразная лунка. Сочетание этих лунок образует новую поверхность, не имеющую направленной шероховатости; качество поверхности не зависит от направления ее рассмотрения.

з) После ЭЭО на заготовке образуется поверхностный слой с повышенной микротвердостью, Образование этого слоя связано с резким охлаждением рабочей жидкостью поверхности единичной лунки, имеющей после электрического разряда температуру, близкую к температуре плавления.

и) ЭЭО обладает локальным, избирательным характером удаления металла, что позволяет получить высокую точность обработки. Избирательность процесса определяется тем, что электрический разряд протекает не между любыми точками электродов, а между теми точками электрода-инструмента и обрабатываемой заготовки, которые в данный момент времени находятся в наиболее близком расстоянии друг от друга.

к) Процесс ЭЭО протекает, как правило, в диэлектрической среде, которая скачкообразно изменяет свои электрические свойства при повышении напряжения на электродах до определенного значения

л) Под воздействием высокой температуры, достигающей в канале разряда до 10000°С, часть рабочей жидкости, окружающей канал разряда, испаряется с образованием газа, разлагается с выделением смолистых веществ (при использовании в качестве рабочей жидкости нефтепродуктов); в рабочей жидкости появляются металлические частицы материала обоих электродов. Газ, смолистые вещества и металлические частицы представляют собой продукты эрозии, большое скопление которых в зоне обработки мешает нормальному протеканию процесса ЭЭО.

Для обеспечения стабильного протекания процесса ЭЭО необходимо своевременно фильтровать рабочую жидкость и удалять продукты эрозии, в частности, путем прокачивания рабочей жидкости через зону обработки.

м) ЭЭО позволяет обрабатывать детали любых размеров (от мкм² до нескольких м², обеспечивая производительное удаление любого по величине припуска заготовки.