Електроерозійне оброблення: що це? Технологія та види електроерозійної обробки

Що таке електроерозійна обробка

Електроерозійна обробка – це сучасний метод обробки провідних матеріалів за допомогою електричних розрядів, який дозволяє з високою точністю виготовляти деталі складних форм, незалежно від твердості матеріалу. Плавиться, випаровується або википає, формуючи необхідний профіль.

Виникнення та розподілення електричних розрядів по поверхні визначається зміною мінімальної відстані між взаємодіючими поверхнями електродів. В результаті при обробці на електроде-заготівлі відображається форма електрода-інструменту. Процес ерозії значно інтенсифікується у рідині. Метал, що видаляється з ерозійної лунки, в рідині застигає у вигляді дрібнодиспергованих гранул кулястої форми.

Різання круглої деталі на електроерозійному верстаті та приклад результату – чотири складені в щільний куб деталі.

При пробої рідини утворюється іонізований канал провідності, через котрий проходить вся енергія імпульсу. При цьому частина енергії виділяється у рідині у вигляді ударної хвилі та кавітаційного міхура.

Електроерозійний процес є електротермічним. Нагрів поверхні електродів створюється внаслідок бомбардування анода електронами, а катода – позитивними іонами. На початку імпульсу розряд зумовлений іонами рідини, а потім іонізованими парами металу. Температура каналу іскри досягає 40000°С(!), температура поверхні металу електрода 10000°С.

Електроерозія поєднує дві руйнівні сили – електричний розряд та кавітацію у рідинах.

Під час електроерозійної обробки використовуються іскрові або дугові електричні розряди. При електроімпульсної обробки переважає дуговий розряд.

Особливості електроерозійної обробки

Електроерозійна обробка відрізняється від традиційних механічних методів (точки, фрезерування) своїми унікальними характеристиками, які роблять її незамінною для роботи із надтвердими та складними матеріалами.

Давайте розглянемо принцип електроерозійної обробки.

У міру зближення електрода-інструменту із заготівлею напруженість електричного поля зростає обернено пропорційно відстані між електродами. Якщо електроди зблизити до відстані кількох десятків мікрометрів, то в окремих місцях напруженість поля може досягти значення, при якому в місці найменшого зазору виникає електричний розряд. У результаті утворюється невелике заглиблення у формі сферичної лунки.

Процес руйнування матеріалу заготівлі хоч і дуже швидкий, але не миттєвий. Він проходить кілька стадій.

Першою стадією ерозійного процесу є пробою міжелектродного проміжку. Під впливом розряду відбувається іонізація проміжку, яким починає протікати електричний струм.

Другою стадією є утворення каналу провідності газового міхура з парів рідини і металів. Внаслідок високого тиску (до 2∙10 7 Па) канал провідності швидко розширюється. Швидкість розширення може досягати 150...200 м/с.

Третя стадія – припинення струму, відрив ударної хвилі від газового міхура та продовження його розширення за інерцією. Коли газовий міхур досягне більшого розміру, тиск усередині нього різко падає. Розплавлений метал, що міститься в лунках, миттєво закипає та викидається у міжелектродний проміжок.

Всі три стадії проходять з частки секунди і повторюються вздовж зони обробки тисячі разів на секунду.

Якщо взяти за основу швидкість обробки сталі за 1, то жароміцні метали обробляються навіть швидше - з коефіцієнтом 1,3-1,4; мідь 1,9-2,3; алюміній та їх сплави 3-5. І лише жорсткі сплави обробляються повільніше: 0,45-0,6.

Області застосування електроерозійної обробки

Інструмент не стосується заготівлі, тому що матеріал видаляється за рахунок електричних розрядів. Тому майже немає сил різання і відсутня додаткова деформація заготівлі під час обробки. Дозволено обробляти крихкі матеріали. А при обробці особливо тендітних ажурних деталей електроерозія майже єдиний спосіб впоратися із завданням.

Обробка незалежності від твердості матеріалу. Вона однаково ефективно обробляє м'яку мідь та надтвердий карбід вольфраму. Не потрібно підбирати інструмент під жорсткість. Якщо матеріал заготівлі струмопровідний – він автоматично ефективно обробляється електроерозією.

Це майже єдиний метод обробки, що дозволяє створити складні 3D-форми на глибинах більше 100мм. Електрод точно копіює профіль. А дротяні верстати вирізають контури з точністю до 5 мкм. Наприклад, існує лише два способи виготовлення лабіринтів охолодження турбінних лопаток, один з яких електроерозійна обробка.

Електроерозійний верстат EXD400 дозволяє створювати отвори менше 0,5 мм на глибині понад 100 мм.

Цей метод характеризується високою точністю (до ±1 мкм) та чистотою поверхні. Мікролунки утворюють досить гладку поверхню при обробці жорсткого сплаву в межах Ra 0,8-0,4.

Види та режими

Електроерозійна обробка поділяється на декілька основних видів.

1. Прошивна (виїмкова) електроерозійна обробка. У цьому відбувається формування отворів чи порожнин з допомогою електрода-інструменту, з якого копіюється необхідний профіль, отвори у турбінних лопатках.
2. Дрітове електроерозійне вирізання. Використовується тонкий металевий дріт (Ø 0,02–0,3 мм) як електрод для контурної вирізки. Контури можуть бути досить складною конфігурацією, тому використовуються електроерозійні верстати з ЧПК. Дріт виготовляють із латуні або міді (з покриттям). Точність методу до 2 мкм. Є можливість обробки поверхонь під кутом до 30 °. Електроерозійна обробка дротом застосовується виготовлення точних матриць, деталей мікроелектроніки, медичних імплантів.
3. Імпульсно-дугова обробка застосовується для грубої обробки більших деталей.
4. Мікроелектроерозійна обробка служить для створення надмалих елементів (від 1 мкм).
5. Окремо їдуть комбіновані методи на основі електроерозійної обробки.

• електрохіміко-ерозійна обробка поєднує електроерозію з хімічним розчиненням матеріалу. 

Цим досягається вища швидкість обробки.

• а при анодно-механічній обробці відбувається додатковий механічний вплив підвищення продуктивності.
• електроерозійне шліфування відбувається в рідині шліфувальним кругом з струмопровідною зв'язкою.
• електроерозійне зміцнення, що включає легування та нарощування поверхні, зазвичай здійснюють на повітрі. Частинки розплавленого металу інструменту на повітрі не встигають охолонути і осідають на поверхні заготовки, утворюючи на ній шар сплаву, насиченого легуючими елементами електрода-інструменту.

Режими електроерозійної обробки включають механічні та електричні характеристики.

• зазор між електродом та заготівлею (5-50 мкм);
• швидкість подачі електрода (регулюється автоматично підтримки стабільних розрядів);
• тиск діелектрика (впливає видалення продуктів ерозії);
• вібрації інструменту (іноді застосовують для покращення промивання);
• тип діелектричної рідини.

До електричних характеристик належать:

• напруга (зазвичай 50-300 В);
• сила струму (0,1-200 А та вище);
• частота струму (100гц – 2 кГц);
• тривалість імпульсу;
• пауза між імпульсами (1-500 мкс.);
• полярність (пряма/зворотна).

Для підвищення швидкості збільшують струм, тривалість імпульсу, зменшують паузу. Для поліпшення якості зменшують струм і використовують короткі паузи. Для зменшення зносу електрода використовують пряму полярність та мідно-графітові електроди.

Імпульси мають тривалість від 10 -7 до 0,1 с. Імпульси тривалістю менше 10 -4 с переважно використовуються в електроіскровій обробці, а більшою тривалістю - в електроімпульсної.

Ступінь електроерозії електрода у певних умовах залежить від полярності електродів. Так, за однакових матеріалів електродів в умовах дії коротких імпульсів спостерігається велика ерозія електрода, підключеного до анода. При дії тривалих імпульсів більшої ерозії піддається катод. Тому в конструкціях верстатів дотримуються полярності напруги у зоні обробки.

При електроімпульсній обробці найчастіше застосовують індустріальну та трансформаторну олії, а при електроіскровій - газ і воду.

Якщо матеріал заготівлі крихкий, то під дією високих температур можливе не тільки виплавлення металу, але і його сколювання та видалення досить великими частинками. Товщина зони із зміненою структурою для електроерозійних методів залежно від режиму обробки становить 0,02-1 мм..

Переваги та недоліки електроерозійної обробки

Коротко підіб'ємо підсумки з переваг методу.

1. Здатність обробляти складні форми: електроерозійна обробка чудово підходить для створення складних і витончених форм, особливо внутрішніх порожнин і гострих внутрішніх кутів, яких важко (фактично неможливо) досягти за допомогою традиційних методів обробки.
2. Відсутність прямого контакту, що мінімізує механічну напругу на заготівлю.
3. Висока точність, що є надзвичайно важливим для таких галузей промисловості, як аерокосмічна та медична.
4. Універсальність для роботи з твердими матеріалами, такими як карбід вольфраму, загартована сталь та титанові сплави.
5. Чиста обробка поверхні, що зменшує або усуває потребу в додаткових процесах обробки поверхні.
6. Мала ширина пропилу. Дріт, що використовується в дротяному електроерозійному різанні, може бути дуже тонким, що дозволяє виконувати точні різи та мінімізувати втрати матеріалу.
7. Відсутність освіти задирок
8. Гнучкість у виборі матеріалів. Головне, щоб він був електропровідним. І навіть це обмеження можна обходити, наприклад, наносячи на кераміку перед оздобленням шар струмопровідного матеріалу.

Деталі із жароміцних сталей, виготовлені на електроерозійних верстатах з ЧПК 

Водночас електроерозійна обробка має значні недоліки.

1. Можна обробляти лише електропровідні матеріали.
2. Більш повільна швидкість виробництва, порівняно з традиційними методами обробки.
3. Можливі вищі експлуатаційні витрати.
4. Зношування електрода в копіювальному методі, де оброблювана поверхня копіює форму інструменту.
5. Термічний процес може потенційно змінити властивості матеріалу у зоні термічного впливу.
6. Налаштування електроерозійних верстатів, особливо для складних завдань, може бути трудомістким і потребує спеціальних знань.

Висновки

У сучасному виробництві електроерозійна обробка виділяється як універсальний та точний метод. Її унікальна здатність обробляти складні форми та жорсткі матеріали, у поєднанні з високою точністю та низькою шорсткістю поверхні, робить її незамінною у різних галузях промисловості. Від аерокосмічної галузі до виготовлення медичного обладнання електроерозійна обробка пропонує рішення там, де традиційні методи обробки досягають своїх меж.

Незважаючи на більш високу вартість та специфічні вимоги до матеріалів, точність та можливості, які вона відкриває у виробництві, не мають рівних.