История развития процесса

 

Явление электрической эрозии, то есть разрушение контактов под действием электрических разрядов, в науке и технике известно давно. В частности, искровые и дуговые разряды возникают при разрыве или отключении электрических цепей. Электрическая эрозия очень вредное явление, сокращающее срок службы и снижающее надёжность электрических устройств.

Над проблемой устранения этого явления в годы Второй Мировой войны работали Борис Романович и Наталья Исаафовна Лазаренко. При помещении электродов в жидкий диэлектрик и размыкании электрической цепи было замечено помутнение жидкости уже после первых разрядов между контактами. Это происходит из-за появления в жидкости мельчайших металлических шариков, которые возникают вследствие электрической эрозии электродов. Было решено усилить эффект разрушения и попробовать применить электрические разряды для равномерного удаления металла. С этой целью электроды (инструмент и заготовку) поместили в жидкий диэлектрик. Диэлектрик охлаждал расплавленные частицы металла и не позволял им оседать на противолежащий электрод. В качестве генератора импульсов использовалась батарея конденсаторов 2, заряжаемых от источника постоянного тока. Время за-

 

Рис.4.1. Схема первой в мире электроэрозионной установки Б.Р. и Н.И. Лазаренко (пояснения в тексте)

 

рядки конденсаторов регулировали реостатом 1. Так появилась первая в мире электроэрозионная установка. Электрод-инструмент 3 перемещали к заготовке 4. по мере их сближения возрастала напряжённость поля в пространстве между электродом-инструментом (ЭИ) и заготовкой. Это пространство называется межэлектродным промежутком (МЭП).

Участок с минимальным расстоянием между поверхностями электродов, измеренным по перпендикуляру к обрабатываемой поверхности, называется минимальным межэлектродным зазором (МЭЗ). При достижении определённой напряжённости поля на МЭЗ возникал электрический разряд тока. Под его действием происходило разрушение участка заготовки. Продукты обработки попадали в диэлектрическую жидкость 5, где охлаждались, не достигая ЭИ, и затем осаждались на дно ванны. Через некоторое время ЭИ прошил пластину 4. Причём контур отверстия точно соответствовал профилю инструмента.

Таким образом, явление, считавшееся вредным, было применено для размерной обработки материалов. За изобретение электроэрозионной обработки (ЭЭО) супруги Лазаренко были удостоены Государственной премии СССР. В настоящее время ЭЭО является наиболее распространённым способом обработки трудно обрабатываемых металлов и сплавов в мировой промышленности.

Первоначально для осуществления ЭЭО применялись исключительно искровые разряды. Они создавались конденсатором в так называемом RC-генераторе (рис.4.1). Поэтому в то время процесс назывался электроискровой обработкой. В начале 50-х годов XX столетия были разработаны специальные генераторы импульсов. Благодаря ним обработку стало возможным производить не только на коротких искровых разрядах, но и на более продолжительных – искро-дуговых и дуговых разрядах. Чтобы отличить новые условия осуществления процесса, его стали называть электроимпульсной обработкой.

Поскольку для формообразования во всех случаях применяют одно и то же явление – электрическую эрозию, в настоящее время эти процессы считают разновидностями ЭЭО и используют определения электроискровой режим ЭЭО и электроимпульсный режим ЭЭО.

 

Общее описание процесса

 

Удаление металла с заготовки происходит в среде диэлектрика за счёт микроразрядов, расплавляющих часть металла. Рассмотрим основные стадии протекания электроэрозионного процесса снятия припуска.

По мере сближения ЭИ с заготовкой напряжённость электрического поля Е возрастает обратно пропорционально расстоянию между электродами:

 

,

 

где U – разность потенциалов ЭИ и заготовки, S – зазор между электродами.

Наибольшая напряжённость поля возникает на участке, где МЭЗ минимален. Расположение этого участка зависит от местных выступов, неровностей на инструменте и заготовке, от наличия и размеров электропроводных частиц, находящихся в МЭЗ.

 

Рис.4.2. Формирование расчётного зазора между ЭИ и заготовкой (пояснения в тексте)

Ни рис.4.2 показано формирование расчётного зазора S между ЭИ 3 и заготовкой 4. Зазор зависит от высоты h_В местного микро- или макровыступа на заготовке. Напряжённость поля в районе выступа будет наибольшей, что повышает вероятность пробоя МЭП в этой точке. Кроме того, напряжённость будет зависеть от наличия электропроводных частиц 1 в диэлектрике 2. Частица 1 с размером h_Ч уменьшает расчётный зазор до размера (S₁ + S₂). Если не учитывать возможности присутствия в промежутке таких частиц, то следовало бы в расчётах принять зазор равным S. Поскольку истинный зазор будет меньше, чем расстояние между электродами, то напряжённость поля на участках, где имеются электропроводные частицы, окажется выше.

Сблизим электроды до расстояния нескольких десятков миллиметров. В отдельных местах напряжённость поля может достигнуть значения, при котором в месте наименьшего зазора возникает электрический разряд. Через промежуток протекает ток, то есть происходит направленное движение электронов в электрическом поле, возникшем в МЭП. В направлении, обратном движению электронов, происходит перемещение более тяжёлых частиц – ионов. Электроны, имеющие меньшую массу, быстро достигают положительно заряженной поверхности заготовки. Эти электроны нагревают металл, вызывая его расплавление и испарение в месте прохождения тока. В результате образуется углубление в форме сферической лунки радиусом R (рис.4.3а).

 

                        а                                                        б

Рис.4.3. Углубления, образующиеся на поверхности заготовки в результате электрических разрядов: а – форма единичной лунки; б – множество лунок

Вылетевшие из лунки частицы металла охлаждаются жидкостью, которая находится в зазоре, и застывают в виде шариков. В качестве жидкости используют различные диэлектрики: масло, керосин, дистиллированную воду. При воздействии серии разрядов поверхность приобретает форму с явно выраженными углублениями в виде лунок (рис.4.3б). Такие лунки формируют микрорельеф, характеризующий шероховатость поверхности. Поверхностный слой дна лунок испытывает воздействие термического цикла нагрева и быстрого охлаждения жидкостью. Свойства этого слоя отличны от свойств металла в глубине заготовки.

В электроискровом режиме большинство ионов, имеющих значительную массу, не успевают достичь отрицательно заряженного электрода и вызвать удаление материала с его поверхности. Съём металла происходит преимущественно с анода, который выбирают в качестве заготовки. Количество ионов, достигающих поверхности инструмента, определяет интенсивность его износа. Очевидно, чем меньше износ инструмента, тем точнее получается деталь. Для этого стремятся сформировать импульс с меньшей длительностью, чтобы ионы не успевали достичь катода. Однако при этом возрастает время обработки и снижается производительность. Полярность, при которой заготовка является анодом, называется прямой. Электроэрозионная обработка, при которой используют электроискровой режим, обычно осуществляется при прямой полярности включения электродов.

Если увеличивать длительность импульсов тока, то растёт интенсивность съёма металла с катода (инструмента) потоком ионов. Можно подобрать такое время протекания тока, при котором доля съёма металла электронами составит лишь незначительную часть от общего объёма удалённого с электродов материала. Поэтому здесь необходимо катодом выбрать заготовку. Полярность, при которой анодом является электрод-инструмент, называется обратной. Обработку материалов при электроимпульсном режиме осуществляют при обратной полярности включения электродов.

Полярность зависит не только от длительности импульса, но и от используемых в качестве электродов материалов. Для снижения износа электрода-инструмента от воздействия потока электронов его выполняют из материалов, слабо разрушающихся под действием искровых разрядов. В качестве таких материалов можно использовать, например, графитовые и медно-графитовые композиции. Для количественной оценки применяют понятие относительного износа. Относительный износ – отношение массы или объёма материала, удалённого с электрода-инструмента, к массе или объёму металла, снятого с заготовки.

При электроконтактном методе импульсы тока формируются непосредственно в промежутке. Схема метода приведена на рисунке 4.4.

 

 

Рис. 4.4. Схема электроконтактного

метода обработки

(пояснения в тексте)

 

 

Процесс протекает в диэлектрике 2. Поверхности электрода-инструмента 1 и заготовки 3 не являются идеально гладкими. На них имеются неровности. При вращении ЭИ выступы приближаются к заготовке вплоть до контакта. На определённом расстоянии S между электродами происходит разряд. Он переходит в дуговой и вызывает плавление металла. Процесс этот кратковременный, поскольку за счёт вращения ЭИ выступ на его поверхности удаляется от заготовки, и разряд в среде диэлектрика быстро затухает. При этом методе длительность и частота импульсов тока будет зависеть от формы и числа выступов на наружной поверхности инструмента и от скорости его вращения. Вращающийся ЭИ сам регулирует параметры импульсов. Поэтому не требуется специального генератора, а используется постоянный или переменный ток низкого напряжения. Электроконтактную обработку проводят при прямой полярности подключения электродов.

По мере съёма металла с заготовки ЭИ в зависимости от схемы обработки перемещают либо вдоль обрабатываемой поверхности (шлифование), либо по нормали к ней (разрезание) со скоростью v_и.

Если процесс протекает в воздушной среде, то возникают более длительные дуговые разряды, чем при процессе в жидкости. Это связано с тем, что после контакта с инструментом и заготовкой дуга может гореть довольно долго. При этом расплавленный металл может достигать противолежащей поверхности и там застывать. То есть могут одновременно протекать два процесса – размерный съём и наращивание металла. Под действием тепла дуги выплавляются большие участки заготовки. Процесс проходит интенсивно и сопровождается сильным световым излучением. Процесс наращивания металла называется электроэрозионным легированием и проводится при обратной полярности подключения электродов. При этом частицы расплавленного металла оседают на катоде-заготовке.

ТОЭ                                 Лекция 16.17

⇐ Предыдущая45678910111213Следующая ⇒

Поделиться: