Электроэрозионная обработка: что это? Технология и виды электроэрозионной обработки

Что такое электроэрозионная обработка

Электроэрозионная обработка это современный метод обработки ведущих материалов с помощью электрических разрядов, который позволяет с высокой точностью изготавливать детали сложных форм, независимо от твердости материала . плавится, улетучивается или выкипает, формируя необходимый профиль.

Возникновение и распределение электрических разрядов по поверхности определяется изменением минимального расстояния между взаимодействующими поверхностями электродов. В результате при обработке на электроде-заготовке отображается форма электрода-инструмента. Процесс эрозии значительно интенсифицируется в жидкости. Удаляющийся из эрозионной лунки металл в жидкости застывает в виде мелкодиспергированных гранул шаровидной формы.

Резка круглой детали на электроэрозионном станке и пример результата – четыре сложенных в плотный куб детали.

При пробое жидкости образуется ионизированный канал проводимости, по которому проходит вся энергия импульса. При этом часть энергии выделяется в жидкости в виде ударной волны и кавитационного пузыря.

Электроэрозионный процесс является электротермическим. Нагрев поверхности электродов создается в результате бомбардировки анода электронами, а катода – положительными ионами. В начале импульса разряд обусловлен ионами жидкости, а затем ионизированными парами металла. Температура канала искры достигает 40000°С(!), температура на поверхности металла электрода 10000°С.

Электроэрозия объединяет две разрушительные силы – электрический разряд и кавитацию в жидкостях.

При электроэрозионной обработке используются искровые или дуговые электрические разряды. При электроимпульсной обработке преобладает дуговой разряд.

Особенности электроэрозионной обработки

Электроэрозионная обработка отличается от традиционных механических методов (точки, фрезерования) своими уникальными характеристиками, которые делают ее незаменимой для работы со сверхтвердыми и сложными материалами.

Давайте рассмотрим принцип электроэрозионной обработки.

По мере сближения электрода-инструмента с заготовкой напряженность электрического поля возрастает обратно пропорционально расстоянию между электродами. Если электроды сблизить до расстояния нескольких десятков микрометров, то в отдельных местах напряженность поля может добиться значения, при котором в месте малейшего зазора возникает электрический разряд. В итоге появляется небольшое углубление в форме сферической лунки.

Процесс разрушения материала заготовки хоть и очень быстрый, но не мгновенный. Он проходит несколько стадий.

Первой стадией эрозионного процесса является пробой межэлектродного промежутка. Под влиянием разряда происходит ионизация промежутка, по которому начинает протекать электрический ток.

Второй стадией является образование у канала проводимости газового пузыря из паров жидкости и металлов. В результате высокого давления (до 2∙10 7 Па) канал проводимости стремительно расширяется. Скорость расширения может достигать 150...200 м/с.

Третья стадия - прекращение тока, отрыв ударной волны от газового пузыря и продолжение его расширения по инерции. Когда газовый пузырь достигнет большего размера, давление внутри него резко падает. Расплавленный металл, содержащийся в лунках, мгновенно закипает и выбрасывается в межэлектродный промежуток.

Все три стадии проходят с доли секунды и повторяются вдоль зоны обработки тысячи раз в секунду.

Если взять за основу скорость обработки стали за 1, то жаропрочные сплавы обрабатываются даже быстрее – с коэффициентом 1,3-1,4; медь 1,9-2,3; алюминий и их сплавы 3-5. И только жесткие сплавы обрабатываются медленнее: 0,45-0,6.

Области применения электроэрозионной обработки

Инструмент не касается заготовки, потому что материал удаляется за счет электрических разрядов. Поэтому почти нет сил резки и соответственно отсутствует дополнительная деформация заготовки во время обработки. Разрешено обрабатывать хрупкие материалы. А при обработке особо хрупких ажурных деталей электроэрозия почти единственный способ справиться с задачей.

Обработка независимости от жесткости материала. Она одинаково эффективно обрабатывает мягкую медь и сверхтвердый карбид вольфрама. Не нужно подбирать инструмент под жесткость. Если материал заготовки токопроводящий – то он автоматически эффективно обрабатывается электроэрозией.

Это почти единственный метод обработки, позволяющий создание сложных 3D-форм на глубинах более 100мм. Электрод точно копирует профиль. А проволочные станки вырезают контуры с точностью до 5 мкм . К примеру, существует только два метода изготовления лабиринтов охлаждения турбинных лопаток, один из которых электроэрозионная обработка.

Электроэрозионный станок EXD400 позволяет создавать отверстия менее 0,5мм на глубине более 100мм.

Этот метод характеризуется высокой точностью (до ±1 мкм ) и чистотой поверхности. Микролунки образуют достаточно гладкую поверхность . при обработке жесткого сплава в пределах Ra 0,8-0,4.

Виды и режимы

Электроэрозионная обработка делится на несколько основных видов.

1. Прошивная (выемочная) электроэрозионная обработка. При этом происходит формирование отверстий или полостей с помощью электрода-инструмента, с которого копируется необходимый профиль. отверстия в турбинных лопатках.
2. Проволочное электроэрозионное вырезание. Используется тонкая металлическая проволока (Ø 0,02–0,3 мм) в качестве электрода для контурной вырезки. Контуры могут быть достаточно сложной конфигурации, поэтому используются электроэрозионные станки с ЧПУ. Проволоку изготовляют из латуни или меди (с покрытием). Точность метода до 2 мкм . Есть возможность обработки поверхностей под углом до 30°. Электроэрозионная обработка проволокой применяется для изготовления точных матриц, деталей микроэлектроники, медицинских имплантов .
3. Импульсно-дуговая обработка применяется для грубой обработки больших деталей.
4. Микроэлектроэрозионная обработка служит для создания сверхмалых элементов (от 1 мкм ).
5. Отдельно едут комбинированные методы на основе электроэрозионной обработки.

• электрохимико -эрозионная обработка сочетает электроэрозию с химическим растворением материала. 

Этим достигается более высокая скорость обработки. 

• а при анодно-механической обработке происходит дополнительное механическое воздействие для повышения производительности.
• электроэрозионная шлифовка происходит в жидкости шлифовальным кругом с токопроводящей связкой.
• электроэрозионное укрепление, включающее легирование и наращивание поверхности, обычно осуществляют на воздухе. Частицы расплавленного металла инструмента на воздухе не успевают охладиться и оседают на поверхности заготовки, образуя на ней слой сплава, насыщенного легирующими элементами электрода-инструмента.

Режимы электроэрозионной обработки включают в себя механические и электрические характеристики.

• зазор между электродом и заготовкой (5-50 мкм);
• скорость подачи электрода (регулируется автоматически для поддержания стабильных разрядов);
• давление диэлектрика (влияет на удаление продуктов эрозии);
• вибрации инструмента (иногда применяют для улучшения промывки);
• тип диэлектрической жидкости.

К электрическим характеристикам относятся:

• напряжение (обычно 50–300 В);
• сила тока (0,1-200 А и выше);
• частота тока ( 100гц – 2 кГц);
• длительность импульса;
• пауза между импульсами (1–500 мкс .);
• полярность (прямая/обратная).

Для повышения скорости увеличивают ток, продолжительность импульса, уменьшают паузу.Для улучшения качества уменьшают ток и используют короткие паузы.Для уменьшения износа электрода используют прямую полярность и медно-графитовые электроды.

Импульсы обладают продолжительностью от 10 –7 до 0,1 с. Импульсы продолжительностью менее 10 -4 сек преимущественно используются в электроискровой обработке, а большей продолжительностью – в электроимпульсной .

Степень электроэрозии электрода в определенных условиях зависит от полярности электродов. Так, при одинаковых материалах электродов в условиях действия коротких импульсов наблюдается большая эрозия электрода, подключенного к аноду. При действии же продолжительных импульсов большей эрозии подвергается катод. Поэтому в конструкциях станков соблюдают полярность напряжения в зоне обработки.

При электроимпульсной обработке наиболее часто применяют индустриальное и трансформаторное масла, а при электроискровой - керосин и воду .

Если материал заготовки хрупок, то под действием высоких температур возможно не только выплавка металла, но и его скалывание и удаление достаточно большими частицами. Толщина зоны с измененной структурой для электроэрозионных методов в зависимости от режима обработки составляет 0,02-1 мм.

Преимущества и недостатки электроэрозионной обработки

Кратко подведем итоги по преимуществам метода.

1. Способность обрабатывать сложные формы: электроэрозионная обработка прекрасно подходит для создания сложных и изящных форм, особенно внутренних пустот и острых внутренних углов, которых трудно (фактически невозможно) достичь с помощью традиционных методов обработки.
2. Отсутствие прямого контакта, минимизирующего механические напряжения на заготовку.
3. Высокая точность, что чрезвычайно важно для таких отраслей промышленности, как аэрокосмическая и медицинская.
4. Универсальность для работы с твердыми материалами, такими как карбид вольфрама, закаленная сталь и титановые сплавы.
5. Чистая обработка поверхности, что уменьшает или устраняя потребность в дополнительных процессах обработки поверхности.
6. Малая ширина пропила. Проволока, используемая в проволочной электроэрозионной резке, может быть очень тонкой, что позволяет выполнять точные резы и минимизировать потери материала.
7. Отсутствие образования заусенцев.
8. Упругость в выборе материалов. Главное, чтобы он был электропроводным. И даже это ограничение можно обходить, например, нанося на керамику перед отделкой слой токопроводящего материала.

Детали из жаропрочных сталей, изготовленные на электроэрозионных станках с ЧПУ 

Вместе с тем электроэрозионная обработка имеет и значительные недостатки.

1. Можно обрабатывать только электропроводящие материалы.
2. Более медленная скорость производства по сравнению с традиционными методами обработки.
3. Возможны более высокие эксплуатационные расходы.
4. Износ электрода в копировальном методе, где обрабатываемая поверхность копирует форму инструмента.
5. Термический процесс может потенциально изменить свойства материала в зоне термического воздействия.
6. Настройка электроэрозионных станков, особенно для сложных задач, может быть трудоемкой и требует специальных знаний.

Выводы

В современном производстве электроэрозионная обработка выделяется как универсальный и точный метод. Ее уникальная способность обрабатывать сложные формы и жесткие материалы, в сочетании с высокой точностью и низкой шероховатостью поверхности, делает ее незаменимой в различных отраслях промышленности. От аэрокосмической отрасли до изготовления медицинского оборудования электроэрозионная обработка предлагает решение там, где традиционные методы обработки достигают своих пределов.

Несмотря на более высокую стоимость и специфические требования к материалам, точность и возможности, которые она открывает в производстве, не имеют равных.