История возникновения электрических методов обработки.
Еще в конце 18в. английским ученым Дж.Пристли было описано явление эрозии металлов под действием электрического тока. Было замечено, что при разрыве электрической цепи в месте разрыва возникает искра или более продолжительная электрическая дуга. Причем искра или дуга оказывает сильное разрушительное воздействие на контакты разрываемой цепи, называемое эрозией. Электрической эрозии подвержены контакты реле, выключателей, рубильников и других подобных устройств. Много исследований было посвящено устранению или хотя бы уменьшению такого разрушения контактов.
Над этой проблемой в годы Великой Отечественной Войны работали советские ученые Б.Р.Лазаренко и Н.И.Лазаренко. Поместив электроды в жидкий диэлектрик и размыкая электрическую цепь, ученые заметили, что жидкость мутнела уже после первых разрядов между контактами. Они установили: это происходит потому, что в жидкости появляются мельчайшие металлические шарики, которые возникают вследствие электрической эрозии электродов. Ученые решили усилить эффект разрушения и попробовали применить электрические разряды для равномерного удаления металла. С этой целью они поместили электроды (инструмент и заготовку) в жидкий диэлектрик, который охлаждал расплавленные частицы металла и не позволял им оседать на противолежащий электрод. В качестве генератора импульсов использовалась батарея конденсаторов, заряжаемых от источника постоянного тока; время зарядки конденсаторов регулировали реостатом. Так появилась первая в мире электроэрозионная установка. Электрод-инструмент перемещали к заготовке. По мере их сближения возрастала напряженность поля в межэлектродном промежутке (МЭП). При достижении определенной напряженности поля на участке с минимальным расстоянием между поверхностями электродов, измеряемым по перпендикуляру к обрабатываемой поверхности и называемым минимальным межэлектродным зазором, возникал электрический разряд (протекал импульс) тока, под действием которого происходило разрушение участка заготовки. Продукты обработки попадали в диэлектрическую жидкость, где охлаждались, не достигая электрода-инструмента, и затем осаждались на дно ванны. Через некоторое время электрод-инструмент прошил пластину, Причем контур отверстия точно соответствовал профилю инструмента.
Так, явление, считавшееся вредным, было применено для размерной обработки материалов. Изобретение электроэрозионной обработки (ЭЭО) имело выдающееся значение. К традиционным способам формообразования (резанию, литью, обработки давлением) прибавился совершенно новый, в котором непосредственно использовались электрические процессы.
Первоначально для осуществления ЭЭО применялись исключительно искровые разряды, создаваемые конденсатором в так называемом RC-генераторе. Поэтому новый процесс в то время называли электроискровой обработкой.
В начале 50-ч годов были разработаны специальные генераторы импульсов, благодаря которым обработку можно было проводить также на более продолжительных - искро-дуговых и дуговых разрядах. Процесс в новых условиях стали назвать электроимпульсной обработкой.
Поскольку для формообразования во всех случаях применяют одно и то же явление - электрическую эрозию, в настоящее время используют определения электроискровой режим ЭЭО и электроимпульсный режим ЭЭО.
Общее описание процесса электроэрозионной обработки.
Удаление металла с заготовки происходит в среде диэлектрика за счет микроразрядов, расплавляющих часть металла. По мере сближения электрода-инструмента с заготовкой напряженность E электрического поля возрастает обратно пропорционально расстоянию между электродами: E=U/s, где U - разность потенциалов электрода-инструмента и заготовки, s - зазор между электродами.
Наибольшая напряженность возникает на участке, где зазор минимален. Расположение этого участка зависит от местных выступов, неровностей на инструменте и заготовке, от наличия и размеров электропроводных частиц, находящихся в межэлектродном промежутке.
Первой стадией эрозионного процесса является пробой МЭП в результате образования зоны с высокой напряженностью поля. Под действием разряда происходит ионизация промежутка, через который между электродами 1 и 2 (рис.1) начинает протекать электрический ток, т.е. образуется канал проводимости 3 - сравнительно узкая цилиндрическая область, заполненная нагретым веществом (плазмой), содержащим ионы и электроны. Через канал проводимости протекает ток, при этом скорость нарастания его силы может достигать сотен килоампер в секунду. На границе канала происходит плавление металла, образуются лунки.
Второй стадией является образование около канала проводимости газового пузыря из паров жидкости и металла. В следствие высокого давления (2*10^7 Па) канал проводимости стремится расшириться, сжимая окружающую его газовую фазу. Вследствие инерции сначала газовы пузырь и окружающая его жидкость неподвижны. Затем начинается их расширение. Границы канала проводимости движутся с высокой скоростью в радиальном направлении (рис.1). Скорость расширения может достигать 150...200 м/с. На наружной границе образуется так называемый фронт уплотнения, в котором давление скачкообразно меняется от исходного в жидкости до высокого на границе фронта.
Третьей стадией будет прекращение тока, отрыв ударной волны от газового пузыря и продолжение его расширения по инерции. Ударная волна гасится окружающей жидкостью. Вначале этой стадии (рис.2) в МЭП находится жидкий металл 2 в углублениях электродов 1 и 6; газовый пузырь 3, внутри которого имеются пары 4 металлов заготовки инструмент; жидкий диэлектрик 5.
Когда газовый пузырь достигнет наибольшего размера, давление внутри него резко падает. Содержащийся в лунках расплавленный металл вскипает и выбрасывается в МЭП.
Основные закономерности.
Основные технологические показатели процесса (точность, качество поверхности, производительность) зависят от количества выплавленного за один импульс металла из лунки, определяемого энергией импульса, временем действия импульсов и частотой их следования. Энергия импульса A как работа электрического тока зависит от произведения силы тока I на напряжение U за время т протекания импульса:
A = I U dт.
В первом приближении энергию A можно расчитывать по средним значениям силы тока и напряжения: A = I U т . Среднее значение напряжения пробоя U =(0.5 .. 0.75)U , где U - напряжение холостого хода при разомкнутых электродах. Напряжение U легко контролировать в процессе обработки.
Среднюю силу тока определяют через ее значение I при коротком замыкании электродов: I =(0.5 .. 0.75)I . Силу тока короткого замыкания можно устанавливать и контролировать по приборам станка. Ее выбирают в зависимости от обрабатываемого материала и требуемой шероховатости поверхности.
Длительность импульсов т обратно пропорциональна частоте f их следования. Поскольку между импульсами имеются паузы, то при расчете т необходимо учитывать скважность q - отношение периода т к повторению импульсов их длительности (q=т /т ):
т =1/(qf).
Форма импульсов подбирается такой, чтобы при определенных параметрах импульса получить наибольшее углубление в заготовке, т.е. достичь наиболее эффективного использования подводимой энергии.
Технологические показатели процесса электроэрозионной обработки.
Производительность.
Производительность Q процесса электроэрозионной обработки оценивается отношением объема или массы удаленного металла ко времени обработки.
Если бы удалось вести процесс при постоянной энергии импульсов, производительность можно было бы оценить как произведение энергии импульсов на их частоту. На практике условия протекания отдельного импульса могут отличаться из-за различий в состоянии МЭП и размера зазора, несоответствие между числом импульсов, выработанных генератором и реализуемых в зазоре. При расчете
Q=фаA f,
где A - энергия импульса; ф - коэффициент, учитывающий количество холостых импульсов: ф=f/f (здесь f - частота импульсов, вырабатываемых генератором; f - частота импульсов, вызывающих эрозию).
Для получения высокопроизводительного режима необходимо, чтобы ф был ближе к единице, т.е. чтобы как можно больше импульсов участвовало бы в процессе эрозии. Через а обозначен объем металла, снимаемого одним или несколькими импульсами с суммарной энергией 1Дж. Введя коэффициент k=фа и выразив частоту через длительность импульса f=1/(qт ), расчет ведут по зависимости
Q=kA /(qт),
где q - скважность; k - коэффициент, который находят экспериментально, зависит от вида и состояния среды, ее прокачки, материалов и размеров электродов, характеристики импульсов.
Таким образом, повысить производительность можно, если подобрать оптимальное сочетание факторов, позволяющих увеличить долю полезной энергии импульса, его мощность и частоту следования рабочих импульсов. Для этого необходимо достичь оптимального соотношения между максимальным значением силы тока I в импульсе его длительности т .
Зависимость: производительность - площадь обработки - мощность. При малой площади обработки число участков, на которых возможен разряд, значительно меньше, чем число импульсов, поступающих от генератора, так как часть площади перекрыта газовыми перекрыта газовыми пузырями от предшествующих разрядов. Время существования газового пузыря в 5..10 раз больше, чем длительность импульса. А разряд через газ возможен только при более высоком напряжении, поэтому часть импульсов генератора не вызывает эрозии. Снижается коэффициент ф, а следовательно, и производительность Q.
Если увеличивать площадь обрабатываемой поверхности, то скорость съема материала металла будет возрастать, но в дальнейшем произойдет ее снижение. Это объясняется тем, что с течением времени ухудшаются условия удаления продуктов обработки из МЭП. Все большее число импульсов генератора не будет вызывать эрозии из-за накопления газов и металлических частиц в пространстве между электродами.