Развитие машиностроения

Размещено на http://www.allbest.ru/

ВВЕДЕНИЕ

Развитие машиностроения связано с успешной разработкой и применением принципиально новых, более экономичных, производительных и технически совершенных методов технологии, в том числе основанных на использовании электрофизических и электрохимических явлений.

При обработке давлением и точном литье используют штампы, литейные формы, пресс-формы и другие подобные изделия сложной конфигурации, весьма трудоемкие в изготовлении.

Отверстия, щели и фасонные прорези сверхмалых размеров, а также соединительные каналы, расположенные в труднодоступных местах, часто не могут быть обработаны на металлорежущих станках из-за несоответствия между малой жесткостью и прочностью инструмента и возникающими большими силами резания, либо из-за невозможности изготовления инструмента нужных размеров и форм.

Во всех указанных случаях эффективно используют электрофизические и электрохимические методы размерной обработки материалов. Отечественной промышленностью выпускается большое количество разнообразных станков для электрофизической и электрохимической обработки, которыми оснащаются механические цехи машиностроительных предприятий. Наша страна занимает ведущее место в области электрофизических и электрохимических методов размерной обработки, а приоритет открытия большинства методов электрофизической и электрохимической обработки принадлежит советским ученым и специалистам.

Книга является выпуском серии «Библиотека станочника». В ней кратко рассмотрены механизмы процессов электрофизической и электрохимической обработки материалов, показаны эффективность и точность различных методов, описаны необходимое оборудование, инструмент, современные станки, правила их эксплуатации.

Под электрофизическими и электрохимическими методами размерной обработки понимают совокупность электрических, электромагнитных и электрохимических процессов и методов непосредственного одновременного или в различных сочетаниях теплового, механического или химического воздействия на твердое тело с целью придания ему заданных формы и размеров. электрофизический электрохимический технический

В соответствии с принятой классификацией применяемые в промышленности электрофизические и электрохимические методы обработки можно разделить на четыре группы. Первая группа охватывает электроэрозионные методы обработки токопроводящих материалов, основанные на использовании энергии электрических разрядов, возбуждаемых между инструментом и заготовкой. Электроэрозионные методы обработки принято подразделять на электроискровые и электроимпульсные. Вторая группа методов, также используемых для обработки токопроводящих материалов, включает лучевые способы обработки, основанные на воздействии на заготовку концентрированных лучей с высокой плотностью энергии. Сюда относится обработка световыми, электронными или ионными лучами. К третьей группе относятся методы импульсного ударного воздействия на заготовку частиц абразива с частотой ударов, соответствующей ультразвуковому диапазону. Эти методы используют для обработки твердых, хрупких, а также нетокопроводящих материалов. Четвертая группа объединяет электрохимические методы, основанные на явлении анодного растворения, заключающегося в том, что электрод, подключенный к положительному полюсу - аноду, растворяется.

К основным преимуществам электрофизических и электрохимических методов размерной обработки материалов можно отнести: 1) практическую независимость производительности процесса обработки от твердости и вязкости обрабатываемого материала; 2) возможность отображения (копирования) инструмента сложной формы сразу по всей поверхности заготовки при простом поступательном движении инструмента; 3) возможность осуществления обработки практически без силового воздействия на заготовку; 4) легкость автоматизации процесса обработки и возможность осуществления многостаночного обслуживания. Характеристики электрофизических и электрохимических методов размерной обработки приведены в табл. 1.

Таблица 1. Характеристика электрофизических и электрохимических методов размерной обработки:

Вид обработки	Максимальная скорость съемки металла, ммі \мин	Достижимая точность, мм	станок
			Мощность, кВт	Стоимость, Р.
Электроэрозионная Светолучевая Электронно-лучевая Ультразвуковая Электрохимическая	10000 5 6 600 40000	0,01 0,005 0,005 0,005 0,05	10 5 3 8 120	10000 5000 15000 4000 20000

ГЛАВА ПЕРВАЯ. ЭЛЕКТРОЭРОЗИОННАЯ ОБРАБОТКА МАТЕРИАЛОВ

1. ХАРАКТЕРИСТИКА ПРОЦЕССА ЭЛЕКТРИЧЕСКОЙ ЭРОЗИИ

Разрушение металлов электрическими разрядами, возникающими в результате пробоя диэлектрического промежутка между «электродами, называют электрической эрозией. Управляемая электрическая эрозия положена в основу нескольких методов обработки, различающихся названиями, технологическими характеристиками, схемами и другими признаками.

Явления, происходящие при электрических разрядах в межэлектродном промежутке, весьма сложны и являются предметом специальных исследований, поэтому здесь рассмотрена лишь простейшая схема процесса удаления металла посредством электрической эрозии. К электродам 1 и 2 (рис.1,а) подведено напряжение, которое создает электрическое поле в межэлектродном промежутке 3. При сближении электродов до расстояния, достаточного для пробоя межэлектродного промежутка, возникает электрический разряд в виде узкого токопроводящего канала. Для повышения интенсивности разряда электроды погружают и диэлектрическую жидкость 4 (керосин, минеральное масло и др.) На поверхности электродов имеются микронеровности различной величины.

Рис 1. Схема разрушения металла импульсными разрядами электрического тока

a-начало обработки: 1 - электрод-анод; 2 - электрод-катод; 3 - межэлектродый промежуток; 4 - диэлектрическая жидкость; б - отображение формы катода в аноде после обработки.

Рис. 2. Микрорельеф поверхности и схема разряда между электродами:

1-катод; 2 -микропорция металла, выплавленная на поверхности катода; 3 - газовый пузырь; 4 - расплавленные частицы металла; 5 - частицы металла, застывшие в рабочей жидкости; 6 - рабочая жидкость; 7 - анод; 8 - микропорция металла, выплавленная на поверхности анода; 9 - канал разряда

Напряженность электрического поля будет наибольшей между двумя наиболее близкими друг к другу выступами на поверхностях электродов (рис. 2), поэтому именно здесь происходит нарушение электрической прочности жидкости и возникает электрический пробой промежутка. Образуется плазменный канал разряда.

Благодаря высокой концентрации энергии в зоне разряда развивается температура в тысячи и десятки тысяч градусов.

Металл на поверхности электродов плавится и испаряется. Капли расплавленного металла в результате движения потока жидкости в рабочей зоне в виде ударной волны выбрасываются за пределы электродов и застывают в окружающей электроды жидкости в виде мелких частиц сферической формы.

При электрическом разряде в жидкости возникает газовый пузырь, который расширяется и своими стенками также захватывает и выносит частицы металла из межэлектродного промежутка.

От взаимодействия жидкости с участками электродов, нагретых до температуры 100-400^єС, образуются гнезда пузырьков пара, а на границах плазменного канала разряда происходит пиролиз диэлектрической жидкости.

В результате в жидкости образуются газы, а также асфальтосмолистые вещества, отлагающиеся на частицах металла и способные при нагреве образовывать прочную спекающуюся массу. Из газовой среды выделяется углерод, отлагающийся на нагретых поверхностях электродов в виде тонкой пленки кристаллического графита.

В месте действия импульса тока на поверхностях электродов остаются небольшие углубления - лунки, образовавшиеся вследствие удаления разрядом некоторого количества металла.

Величина лунки при прочих равных условиях зависит от количества энергии, выделяемой в разряде, длительности импульса, а также от того, каким образом происходит удаление из лунки продуктов эрозии.

Возможно несколько вариантов выброса металла из лунки. Наибольший эффект с точки зрения съема металла обеспечивается тогда, когда ударная волна порождена разрядом, поразившим естественный исходный материал заготовки.

При этом из зону разряда выносятся как вновь образовавшиеся частицы метал; так и частицы, образовавшиеся ранее.

Если разряд попадает группу частиц, оставшихся в межэлектродном промежутке предыдущих разрядов, то съем металла близок к нулю, а эвакуационная волна наименее эффективна. Остальные варианты выброса металла по эффективности располагаются между этими крайними вариациями. В табл. 2 приведена зависимость величины эрозии стального электрода от энергии и длительности одиночного импульса.

Таблица 2. Зависимость величины эрозии стального электрода (анода) от энергии и длительности одиночного импульса:

Характеристика импульса	Размер лунки
Энергия, Дж	Длительность, Мкс	Глубина, мм	Диаметр, мм	Объем, мі
0,001 0,1 1,0 2,0	9 40 60 1500	0,015 0,025 0,042 0,050	0,1 0,75 1,65 2,00	0,000078 0,0074 0,06 0,10

После разряда в течение некоторого времени происходит остывание столба канала и деионизация вещества плазмы в межэлектродном промежутке. Электрическая прочность межэлектродного промежутка восстанавливается. Время деионизации жидкого диэлектрика составляет 10-⁶-10~² с. Оно зависит от энергии предшествующего разряда. Следующий разряд обычно возникает в новом месте, между двумя другими ближайшими точками электродов. Длительность интервалов между импульсами должна быть достаточной для удаления из зоны разряда продуктов эрозии, а также газового пузыря, являющегося главным препятствием для возникновения, следующего разряда. В связи с этим частота разрядов с возрастанием их энергии снижается. Так происходит до тех пор, пока разряды не удалят с поверхности электродов все участки металла, которые находятся на расстоянии пробоя при величине приложенного напряжения когда расстояние между электродами превысит пробивное, для возобновления разрядов электроды должны быть сближены. обычно электрод сближают в течение всего времени обработки, чтобы электрические разряды не прекращались. Если поверхность одного электрода меньше, чем поверхность другого, то под действием .непрерывно повторяющихся разрядов происходит разрушение большего электрода на участке, воспроизводящем форму меньшего электрода (см. рис. 1,6).

Величина межэлектродного промежутка, энергия и частота электродов, степень насыщения промежутка продуктами эрозии оказывают решающее влияние на развитие электрических импульсных процессов и создаваемый ими эффект.

Параметры рабочих импульсов. Основными параметрами электрических импульсов, подаваемых к межэлектродному промежутку, являются их частота повторения, длительность, амплитуда и скважность, а также форма, определяющие максимальную мощность и энергию. Форма и параметры импульсов оказывают существенное влияние на износ электрода-инструмента, производительность и шероховатость обработанной поверхности.

Обозначим частоту повторения импульсов, т. е. их число и секунду, через f. Тогда Т=‡ будет являться периодом. Он определяет промежуток времени, через который следует очередной импульс (рис. 3,а). Период Т состоит из двух частей- длительности импульса t-a и интервала (паузы) между двумя смежными импульсами tu (рис. 3,6).

Импульс характеризуется амплитудным значением (или амплитудой) напряжения и тока (Um и Im). Это максимальные значения, которые приобретают напряжение и ток за время импульса. При электроэрозионной обработке амплитуда напряжения изменяется от нескольких вольт до нескольких сотен вольт, а амплитуда тока от доли ампера до десятков тысяч ампер. Скважностью импульса q называют отношение периода, т к длительности импульса tK. Диапазон скважностей при электроэрозионной обработке заключен в пределах от 1 до 30.

Форма импульсов может быть различной. Напряжение и ток могут изменяться по гармоническим кривым. График напряжения и тока может быть остроугольным, прямоугольным или пилообразным или другой, более сложной формы. Форма импульса зависит от выходных параметров установки, формирующей импульсы (генератора импульсов), а также от параметров электрической цепи, к которой подключены электроды. Хотя импульсы тока образуются под действием импульсов напряжения, формы импульсов напряжения итока в точности не соответствуют друг другу, а часто имеют существенное различие. Это объясняется влиянием емкости и индуктивности электрических цепей, а также сдвигом процессов по времени (ток, имеющий практическое значение для электроэрозионной обработки, начинает протекать через межэлектродный промежуток тогда, когда напряжение уже достигает величины, достаточной для пробоя промежутка). Чем больше площади графиков, охватываемые кривой тока и кривой напряжения, тем большую энергию несет импульс.

Рис 3.импульсы напряжения и тока.

U-напряжение на электродах

I-ток в межэлектродном промежутке

Полярный эффект и полярность импульса. Высокая температура в канале разряда и происходящие динамические процессы вызывают эрозию обоих электродов. Повышение эрозии одного электрода по сравнению с другим электродом называется полярным эффектом. Полярный эффект определяется материалом электродов, энергией и длительностью импульсов, знаком подведенного к электроду потенциала.

Процессы изменения напряжения и тока имеют колебательный характер относительно их нулевого значения. При электроэрозионной обработке принято считать рабочей или прямой полярностью импульса ту его часть, которая вызывает наибольший эффект обрабатываемой заготовки, а обратной - часть импульса, вызывающую усиленную эрозию электрода-инструмента. Обрабатываемую заготовку присоединяют к тому полюсу, эффект эрозии которого в данных условиях больше. К противоположному полюсу присоединяют электрод-инструмент. Например, при коротких импульсах электроискровой обработки энергия преимущественно поступает на анод, в качестве которого здесь следует использовать заготовку (прямая полярность). При увеличении длительности наступает перераспределение теплового потока на электродах. Это приводит к тому, что при определенных режимах электроимпульсной обработки эрозия анода становится меньше, чем эрозия катода. В этом случае следует применять обратную полярность, используя заготовку в качестве катода.

Электроэрозионная обрабатываемость. Эффект эрозии различных металлов и сплавов, производимый одинаковыми по своим параметрами электрическими импульсами, различен. Зависимость интенсивности эрозии от свойств металлов называют электроэрозионной обрабатываемостью. Различное влияние импульсных разрядов на металлы и сплавы зависит от их теплофизических констант: температур плавления и кипения, теплопроводности, теплоемкости. Если принять электроэрозионную обрабатываемость стали за единицу, то электроэрозионная обрабатываемость других металлов (при тех же условиях) может быть представлена в следующих относительных единицах: вольфрам - 0,3; твердый сплав - 0,5; титан - 0,6; никель -0,8; медь- 1,1; латунь-1,6; алюминий - 4; магний- 6 (указанные данные справедливы только при конкретных условиях: энергия импульса 0,125 Дж, длительность 14-10О⁶ с, частота 1200 1/с, амплитуда тока 250 А). Рабочая среда. Большинство операций при электроэрозионной обработке производят в жидкости. Она обеспечивает условия, необходимые для удаления продуктов эрозии из межэлектродного промежутка, стабилизирует процесс, влияет на электрическую прочность межэлектродного промежутка. Жидкости, пригодные для электроискровой обработки, должны обладать соответствующей вязкостью, электроизоляционными свойствами, химической устойчивостью к действию разрядов и быть безопасными в эксплуатации.

Рис 4.Влияние диэлектрической среды на величину пробивного напряжения и межэлектродный промежуток: 1-воздух; 2-керосин; 3-трансформаторное масло.

На рис. 4 показаны графики влияния свойств диэлектрической среды на величину межэлектродного промежутка и величину пробивного напряжения.

При работе жидкость загрязняется металлическими частицами и продуктами ее разложения, что приводит к значительному снижению электрической прочности и к увеличению среднего значения межэлектродного промежутка.

Графики показывают целесообразность применения в качестве диэлектрической среды нефтепродуктов.

При относительно равной производительности обработки в среде, например, трансформаторного и веретенного масла предпочтение следует отдать последнему, так как температура его вспышки выше (165"С по сравнению с 135°С). Керосин применяют при прошивании отверстий малого диаметра, когда низкая вязкость среды особенно важна.

В ходе обработки увеличиваются зольность и вязкость рабочей жидкости, поэтому ее не обходимо периодически заменять. Так, индустриальные масла необходимо заменять при увеличении зольности до 1,23% (в незагрязненных маслах она равна 0,007%) и вязкости до 20 смІ/с.

В табл. 3 приведены характеристики выполняемых работ и рекомендуемые рабочие жидкости.

Производительность электроэрозионной обработки зависит от большого числа факторов: электроэрозионной обрабатываемости мощности, реализуемой в межэлектродном промежутке; рабочей среды; правильного выбора материала электрода-инструмента.

Термин «производительность», употребляемый в технологии электроэрозионной обработки для характеристики интенсивности процесса по удельному съему металла, не всегда однозначен представлению о производительности в единицах выпуска продукции

Так, например, при прошивке отверстия в заготовке полым сплошным электродом длительность изготовления одной детали и таким образом, производительность в штуках будет различной хотя объем удаленного металла из заготовки может быть одинаковым.

Не будет пропорциональным штучной производительности и объем металла, непосредственно разрушенный в электроискровом промежутке.

При большой площади электродов в промежутке между ними всегда оказывается большое количество участков, подготовленных для прохождения импульсов тока, что способствует повышении производительности обработки.

При этом необходимо увеличение выходной мощности генератора импульсов.

При малой рабочей площади электрода-инструмента высокая производительность недостижима из-за невозможности подведения большой мощности, так как обильное выделение газов и большое число отделившихся частиц разрушающихся электродов прерывают нормальный процесс обработки.

Таблица 3Рекомендуемые рабочие жидкости:

Рабочая жидкость	Характеристика
Вид	Вязкость при 50єС, мІ\с	Температура	Выполняемых работ	импульсов
Керосин осветительный		40	Точная обработка сложнопрофильных поверхностей средних размеров, прошивка малых отверстий.	Малая длительность, большая скважность при малой и средней мощности.
Керосин осветительный тяжелый(пиронафт).		90	То же, при больших обрабатываемых поверхностях.	То же, при несколько большей мощности.
Топливо дизельное С и ДС.			Обработка поверхностей средней сложности.	При средней сложности.
Масла индустриальные марок: трансформаторное, веретенное, машинное.	(2,5-8,0)*10-4 (10-30)*10-4	90	Высокопроизводительная обработка поверхностей больших размеров невысокой точности,	Большая длительность, малая скважность, высокая частота при средней мощности генератора импульсов
				Малая длительность, средняя скважность при малой мощности импульсов; обработка на переменном токе при большой мощности
			Последующая их обработка на доводочных режимах
Масло индустриальное селективной очистки: И-12А; И-20А, И-30А. Вода и водные эмульсии		165-190	То же, обработка заготовок, не допускающих загрязнений, резка твердых сплавов проволочным инструментом, грубая резка и обдирка вращающимся электродом-инструментом

Увеличение вязкости рабочей жидкости замедляет выведение из межэлектродного промежутка продуктов эрозии и снижает производительность. Уменьшение вязкости, по сравнению рекомендуемой также снижает производительность, так как снижается захват жидкостью продуктов эрозии и вынос их из межэлектродного промежутка. В табл. 4 показано изменение производительности обработки в зависимости от выбранных режимов и мощности обработки (материал заготовки - сталь 45, материал инструмента - графит марки ЭЭГ, рабочая среда - керосин, импульсы - гребенчатой формы).

Таблица 4. Изменение производительности в зависимости от выбранных режимов обработки

Режимы обработки	Производительность, Мм3\мин	Площадь обработки, мм3
Частота, кГц	Рабочий ток, А	Среднее напряжение холостого хода,В	Среднее рабочее напряжение, В	Скважность
8	40	88	30	1,6	180	1500
22	20	105	35	2,0	150	1500
66	10	135	35	3,5	128	1000
88	10	150	40	3,5	46	500
200	5	145	45	3,5	35	250

С повышением частоты импульсов и снижением рабочего тока стабильность рабочего процесса ухудшается. Это вызывает необходимость увеличить скважность импульсов.

Применение прямо угольных импульсов существенно повышает производительность. Производительность обработки можно повысить, если применять принудительное удаление продуктов эрозии из межэлектродного промежутка. Для этого в межэлектродный промежуток под давлением нагнетают жидкость (рис. 5). Хорошие результаты дает наложение вибраций на электрод-инструмент, а также вращение одного или обоих электродов. Давление жидкости зависит от глубины отверстия и величины межэлектродного промежутка.

Рис. 5. Схема подвода жидкости в межэлектродный промежуток через полый электрод при прошивании отверстия

Скорость внедрения электрода-инструмента в заготовку с увеличением глубины обработки здесь не снижается, как при обработке без принудительной подачи жидкости.

Создание вибраций прямолинейно перемещающегося электрода-инструмента также способствуем удалению продуктов эрозии, но в меньшей степени, чем нагнетание жидкости. Вибрации особенно необходимы при электроискровой обработке глубоких отверстий малого диаметра и узких щелей. Большинство электроэрозионных станков снабжено специальной вибрационной головкой.

Качество поверхности и точность обработки. Металл электродов подвергается хотя и локальному, кратковременному, но весьма интенсивному электротермическому воздействию.

Наивысшая температура существует на обрабатываемой поверхности и быстро уменьшается на некотором расстоянии от поверхности. Большая часть расплавленного металла и его паров удаляется из зоны разряда, но некоторая часть остается в лунке (рис 6 ).

Рис. 6. Лунка, полученная в результате воздействия единичного импульса:

1 - пространство, оставшееся после выплавления металла; 2 - белый слой; 3 - валик вокруг лунки; 4 - обрабатываемая заготовка; D л, H л - диаметр и глубина лунки

При застывании металла на поверхности лунки образуется пленка, по своим свойствам отличающаяся от основного металла. Поверхностный слой в расплавленном состоянии активно вступает в химическое взаимодействие с парами и продуктами разложения рабочей жидкости, образующимися в зоне высоких температур. Результатом этого взаимодействия является интенсивное насыщение металла компонентами, содержащимися в жидкой среде, а также веществами, входящими в состав электрода-инструмента. Таким образом, в поверхностный слой могут быть внесены титан, хром, вольфрам и т. д. При электроэрозионной обработке стальных заготовок в среде, состоящей из жидких углеводородов (керосин, масло), поверхностный слой насыщается углеродом, т. е. образуются карбиды железа.

Интенсивный теплоотвод из зоны разряда через прилегающие к ней массы холодного металла и рабочую жидкость создает условия для сверхскоростной закалки, что одновременно с науглероживанием приводит к образованию очень твердого слоя. Закаленный поверхностный слой стали обладает повышенной стойкостью истирание и меньшим, чем у нетермообработанной стали, коэффициентом трения. Структура поверхностного слоя существенного отличается от структуры основного металла и схожа со структурой отбеленного слоя, возникающего на поверхности некоторых чугунов. Поэтому этот слой получил название «белый слой».Глубина белого слоя зависит от энергии импульсов, их длительности и теплофизических свойств обрабатываемого материала. При длительных импульсах тока большой энергии глубина белого слоя равна десятым долям миллиметра, а при коротких импульсах - сотым долям миллиметра и микрометрам.

Вследствие хрупкости и неравномерной плотности белого слоя в большинстве случаев он является дефектным. Он снижает прочностные свойства основного металла, так как при знакопеременных нагрузках в нем легко возникают трещины, которые могут распространиться в глубь детали.

В поверхностном слое заготовки возможно возникновение остаточных напряжений, обусловленное тепловыми процессами на поверхности. Величина и глубина распространения остаточных напряжений зависят от параметров импульсов, теплофизических свойств обрабатываемого материала и физико-химических свойств, оплавленного поверхностного слоя.

рис 7. Профиль поверхности, обработанной импульсами тока.

Остаточные напряжения возрастают с увеличением энергии импульсов или их длительности. При определенных режимах обработки в зависимости от материала заготовки остаточные напряжения могут превышать предел его прочности, вызывая образование сетки микротрещин. Поэтому при изготовлений деталей, предназначенных для работы с большими нагрузками, следует удалять дефектный слой.

Для полного восстановления прочности и выносливости деталей необходимо удалять припуск, равный примерно удвоенной глубине оплавленного слоя.

Но нет необходимости всегда полностью удалять поверхностный слой после электроэрозионной обработки. Во многих случаях удаляют только ту его часть, которая непосредственно снижает эксплуатационные характеристики, например, слой, в котором образуется сетка микротрещин. Различные виды обработки, последующей после электроэрозионной обработки, например, электрополирование, виброгалтовка, термообработка и др. могут существенно уменьшить остаточные напряжения в поверхностном слое или даже изменить их знак, благодаря чему усталостная прочность детали может быть получена практически такой же, как и при обработке резанием.

Износостойкость деталей, полученных электроэрозионной обработкой, благодаря наличию белого слоя повышается и значительно превышает (до 1,5 раз) износостойкость деталей, полученных механической обработкой резанием. Это имеет существенное значение, например, для получения стальных штампов, Усталостная прочность деталей, полученных электроэрозионной обработкой, несколько снижается. Профиль обработанной поверхности представляет собой результат наложения друг на друга лунок, образованных под действием единичных электрических разрядов, разрушающих материал заготовки (рис. 7). Таким образом, обработанная поверхность, будет иметь большую или меньшую шероховатость. Геометрические размеры образованных при обработке лунок можно определить по следующим эмпирическим формулам:

Dл=К₁W^? ; Нл=К₂W^?

где Dл - диаметр лунки, мкм; Нл - глубина лунки, мкм;: W - энергия импульса, мкДж; К₁, К₂- коэффициенты, зависящие от материала электродов и состава рабочей среды (при медных, электродах при обработке в керосине

К₁ = 4, К₂=0,45

Среднюю высоту неровностей, образующихся в результате воздействия на поверхность заготовки серии импульсов тока, определяют по формуле:

Rz??Нл

Для достижения наивысшей производительности и получения требуемой шероховатости обработку следует производить в несколько переходов. Сначала импульсами большой энергии удаляют основную массу металла. Затем при постепенном снижении ни импульсов осуществляют сглаживание и окончательную отделку поверхности. Режимы обработки по своим технологическим показателям принято разделять на черновые или обдирочные, истовые и отделочные. Диапазоны режимов, применяемых для обработки, очень широки. В табл. 5 приведены обобщенные данные о режимах электроэрозионной обработки стали и получаемой шероховатости обработанной поверхности.

Таблица 5. Режимы обработки и шероховатость обработанной поверхности

Режим	Импульсы	Интенсивность съема металла, мм3\мин	Высота микронеровностей Rz, мкм
	Длительность, мкс	Частота, с-1
Черновой Чистовой Отделочный	1000-100 500-200 20 и менее	50-30000 1000-10000 3000 и более	30000-100

К основным первичным погрешностям электроэрозионной обработки относят следующие: Дк- погрешности, возникающие вследствие поперечных колебаний инструмента; Дуп - погрешности, являющиеся следствием статических упругих колебаний системы СПИД (станок-приспособление-инструмент-деталь); Дуз - погрешности установки заготовки на станке; Ду.и - погрешности установки инструмента; Дс - погрешности, обусловленные геометрической неточностью станка; Ди.и - погрешности, обусловленные неточностью изготовления инструмента; Ди - погрешности, обусловленные износом инструмента; Дт - погрешности температурных деформаций; До - погрешности, вызванные внутренними остаточными напряжениями; Дм - погрешности, обусловленные наличием межэлектродного электрического промежутка. Погрешности Дк возникают при вибрации инструмента вдоль направления подачи, влияют на точность обработки. Эти погрешности зависят от жесткости системы инструмент-шпиндель-вибратор, от масс и конструкций этих элементов. Погрешность Дк может составлять 0,01-0,05 мм. Погрешность Дуп в отличие от аналогичной погрешности механической обработки не зависит от режима обработки. Она возникает из-за отклонения оси шпинделя, что вертикального положения и неуравновешенности массы инструмента относительно оси шпинделя, что приводит к упругим деформациям в системе инструмент-шпиндель. Эта погрешность составляет, как правило, небольшую величину (0,005 мм).

Рис 8. зависимость формы отверстия при несовпадении положения оси электрода-инструмента с осью станка.

В уравновешенных системах и при легких электродах-инструментах погрешность практически отсутствует. Первичная погрешность установки заготовки Ду .з аналогична подобной погрешности при механической обработке. При совмещенных установочной и измерительных базах и при индивидуальной выверке заготовок перед их обработкой погрешность Ду.з может быть устранена. Погрешность установки инструмента Ду. и зависит в основном от параллельности геометрической оси 1 инструмента и направления подачи Sпр (рис 8). Погрешность Ду.и составляет 0,01-0,015 мм. Первичная погрешность Дс определяется отклонением оси шпинделя от перпендикуляра к опорной поверхности стола. Для уменьшения Дс,. копировально-прошивочных станков устанавливают жесткие допуски на перпендикулярность геометрической оси их шпинделя опорной поверхности стола. Погрешности Дс составляют 0,015-0,02 мм и могут быть найдены по нормативам точности станка. Первичная погрешность Ди. и определяется допусками на размеры инструмента, которые устанавливаются по допускам на размеры детали:

Ди.и=0,015-0,1 мм

Первичная погрешность Ди, вызванная износом инструмента, зависит от эрозионной стойкости материала инструмента, режима обработки и глубины внедрения инструмента. Для уменьшения погрешности Ди используют следующие способы: 1) применяют схему обработки с круговым поступательным движением электрода-инструмента; 2) калибруют прошитое отверстие неизношенной частью инструмента; 3) применяют многоступенчатый электрод-инструмент - заготовку последовательно обрабатывают каждой ступенью инструмента, смягчая режим (черновой, чистовой, доводочный); 4) производят смену электродов-инструментов при изменениях режима, используя работавшие инструменты на менее грубых режимах. Первичная погрешность Дт обусловлена нагревом технологической системы, что приводит к изменению ее линейных размеров. Увеличение расчетного размера вследствие нагревания детали

Дl_т = lатД0

где l - расчетный размер; ат - коэффициент линейного расширения; Д0 - разность температур в конце и начале процесса обработки. При определении величины Дlт необходимо учитывать и изменение размеров заготовки вследствие нагрева. Первичная погрешность До возникает при обработке заготовок пониженной жесткости. Заготовка может деформироваться от напряжений поверхностного слоя, на отдельных участках приближаться к электроду-инструменту и подвергаться излишней эрозии. Эту погрешность исключают, переходя к менее жестким режимам ( с небольшими значениями энергии и длительности импульсов). Погрешность Дм обусловлена нестабильностью процессов в межэлектродном промежутке, особенно при изменении режимов обработки и соответственно изменении межэлектродного промежутка. Тщательная фильтрация рабочей жидкости, переход от более жестких режимов к чистовым и доводочным позволяют существенно уменьшить эту погрешность.

Указанные погрешности имеют как случайный характер, так и систематический. Систематические погрешности

Дсист = Ди + Дт

Иные рассмотренные погрешности можно отнести к случайным. Погрешности в направлении вертикальной и горизонтальной подачи различны, так как при этом действие составляющих, первичных погрешностей различно. Суммарная погрешность в направлении вертикальной подачи

Где К-коэффициент, учитывающий отклонение закона распределения погрешностей от закона нормального распределения:

К=1,2-1,5

Суммарная погрешность в направлении горизонтальной подачи

На электроэрозионных станках нормальной точности суммарная погрешность обработки изменяется в пределах от 0,04 до 0,4.Повышение жесткости, применение точных отсчетных позволяют уменьшить суммарную погрешность 0,02 мм. Обобщенные данные о суммарной погрешности обработки электроэрозионным методом приведены в табл. 6.

Расчет припусков на электроэрозионную обработку. Минимальный припуск на обработку может быть определен по следующей формуле:

Z_min=(Ra+h_a)+(p_a+Д_уст)

Где Ra-средняя высота микронеровностей, полученная на предшествующем переходе; ha - глубина дефектного слоя, полученная на предшествующем переходе; ра-сумма пространственных отклонений взаимосвязанных поверхностей; Дуст - погрешность при обработке:

Припуск на электроэрозионную обработку, если она следует после механической, определяют по величинам: Ra, ha и ра, приведенным в справочниках для механической обработки металлов. Когда требуется определить припуск на механическую обработку после электроискровой или на электроискровую чистовую обработку после электроискровой черновой, величины Ra и ha определяют по справочным данным технологических выходных параметров черновой электроэрозионной обработки.

Таблица 6. Суммарная погрешность обработки электроэрозионным методом:

Материал	Суммарная погрешность обработки при различных диаметрах заготовки, мм
Обрабатываемый	электрода	25	50	100	200	400	800
Сталь	алюминий	0,04	0,05	0,06	0,11	0,20	0,40
Жаропрочный сплав	Медь	0,04	0,04	0,045	0,06	0,16	0,16
	ЭЭГ	0,04	0,05	0,055	0,07	0,16	0,32
Твердые сплавы	Медь	0,04	0,05	0,054	0,07	-	-
	ЭЭГ	0,04	0,04	0,045	0,06	-	-

Пространственные отклонения взаимосвязанных поверхностей ра определяют с учетом погрешностей электроэрозионной обработки, а погрешность Дуст с учетом погрешностей механической или электроэрозионной обработки.

При определении припуска на чистовой проход, выполняемый и на том же электроэрозионном станке без перестановки заготовки и инструмента, пространственные отклонения не исправляются и ра =0. При работе на чистовом режиме дефектный слой практически отсутствует (ha?0). Если поверхностный слой удалять не требуется, то величину ha при расчете припуска также не учитывают.

Размеры рабочей части электрода-инструмента корригируют по нормалям к его боковой поверхности, на величину, равную сумме межэлектродного зазора и высоты максимальных неровностей. При применении осциллирующих головок необходимо учитывать амплитуду колебаний инструмента. Коррекцию производи постепенно при изготовлении нескольких деталей или партий. Предварительные размеры электрода-инструмента устанавливаю по местным боковым зазорам, которые измеряют щупом, и торцовому зазору, определяемому по индикатору.

2. ОСОБЕННОСТИ ЭЛЕКТРОИСКРОВОЙ И ЭЛЕКТРОИМПУЛЬСНОЙ ОБРАБОТКИ

В зависимости от условий обработки, применяемых режимов,шин и технологических приемов, а также получаемых технологических характеристик эрозионную обработку электрическим разрядами принято подразделять на электроискровую и электроимпульсную, а в зависимости от частоты повторения разрядов на низко-, средне- и высокочастотную.

Электроискровая обработка основана на использовании электрических импульсных разрядов малой длительности (от долей мкс до нескольких сотен мкс) и малой энергии (до 4-5 Дж), следующих с большой скважностью и высокой частотой (до1,5*10⁶ кГц). Обработку производят при сравнительно невысоких напряжениях, обычно не превышающих 250 В. При этих напряжениях расстояние между электродами очень невелико и составляет несколько сотых долей миллиметра. Затраты энергии на съем1 кг металла составляют 4-5 кВт*ч. Этот вид обработки применяют преимущественно для прецизионной обработки небольших деталей радиоэлектронной промышленности, топливной аппаратуры (мелкие отверстия, шлифовальные операции), вырезки фасонных контуров твердосплавных вырубных штампов непрофилированным (проволочным) электродом. При этом способе обработки достигается относительно низкая шероховатость:

Ra=1,2,5=2,5 мкм

по ГОСТ 2789-73 и высокая точность обработки.

Для получения наибольшей производительности при съеме металла с заготовки и наименьшего износа инструмента электрод-инструмент подключают к отрицательному полюсу генератора - катоду, а заготовку - к положительному полюсу - аноду. Электроимпульсная обработка представляет собой разновидность электроэрозионной обработки. Она характеризуется большей скоростью съема металла при относительно высокой шероховатости обработанной поверхности. Соответственно и режимы обработки, форма используемых при обработке импульсов имеют существенные различия. В результате увеличения вводимой в зону импульсной обработки электрической мощности, скорость съема металла по сравнению со скоростью съема при электроискровой обработке повышается в 8-10 раз.

Увеличение длительности импульсов при низкой скважности и устранении обратной полуволны напряжения приводит здесь к резкому снижению износа электрода-инструмента. В отличие от электроискровой обработки здесь применяется обратная полярность: анод-инструмент, катод-заготовка.

Благодаря высоким скоростям съема металла при снижении относительного износа инструмента становится возможной обработка фасонных поверхностей большой площади, требующих значительного съема металла. Высокий КПД генератора импульсов, применяющегося при импульсной обработке, обеспечивает проведение обработки при пониженном удельном расходе электрической энергии.

Процесс импульсной обработки, как и все электроэрозионные процессы, основан на расплавлении малых частиц металла в зоне электрических разрядов. Чем выше частота разрядов, тем ниже (при прочих равных условиях) шероховатость поверхности. Поэтому при электроимпульсной обработке используют, как правило, токи повышенной частоты, получаемые от специальных генераторов.

Режимы электроимпульсной обработки отличаются от режимов электроискровой обработки применением пониженных напряжений и относительно большими значениями средних токов. Так, для генераторов импульсов типа МГИ верхний предел регулирования напряжения составляет 24-26 В, а нижний 11 -12 В. При напряжении менее 11В производительность и стабильность процесса резко снижаются. Скорость съема металла при электроимпульсной обработке зависит главным образом от силы тока.

При достаточной мощности источника питания величину тока приходив ограничивать в соответствии с размерами обрабатываемой поверхности, так как повышение силы тока сверх оптимальной ведет к оплавлению заготовки, быстрому износу электрода-инструмента и потере стабильности процесса.

На рис. 9 показана зависимость среднего тока Iср при электроимпульсной черновой обработке площади F обрабатываемой поверхности. Необходимый режим обработки устанавливают по номограммам или рассчитывают.

Например, для генераторов с частотой 400 с^-1 режим по току (А) можно ориентировочно установить по следующим зависимостям при

F<100 мм²

Iср= (12-15)F

F>150мм² Iср= (8-9) F

Чистовые режимы выбирают, исходя из необходимого качества поверхности, последовательно обрабатывая стальные детали при Iср равных 50, 30, 20, 10 и 5 А, а детали из твердых сплавов при Iср, равных 15, 12, 10 и 5 А. Заштрихованная область рис.9 соответствует значениям тока, обеспечивающим получение максимальной производительности при данных параметрах. При меньших значениях тока возможности обработки будут использоваться не полностью, при выходе за верхнюю границу устойчивость процесса нарушается.

Таблица 7. Высота микронеровностей и производительность при средней низкочастотной электроимпульсной обработке:

Обрабатываемый материал	Электрический режим	Максимальная высота микронеровностей, мкм	Средняя производительность,мм3\мин
	Частота, Гц	Средняя сила тока, А
Сталь	50 50 400 400	50 300 50 300	590 1250 580 530	90 5000 700 4900
Твердый сплав ВК-20	400	10 30 50	35 90 110	6-10 90 190

Обрабатываемость материалов при электроимпульсной обработке зависит в основном от теплофизических констант.

Закаленные и незакаленные углеродистые стали обрабатываются почти одинаково.

Инструментальные, штамповые и другие стали обрабатываются так же, как углеродистые.

Детали из жаропрочной стали 14Х17Н2, алюминиевого сплава АЛ5-1 обрабатываются на 30-50% лучше, чем детали из углеродистых сталей.

Скорость обработки твердых сплавов значительно ниже. При электроимпульсной обработке в результате воздействия дуговых импульсных разрядов на обрабатываемой поверхности образуются характерные неровности, поверхностные слои металла подвергаются тепловому воздействию.

Таблица 8. Высота микронеровностей и производительность при высокочастотной электроимпульсной обработке.

Обрабатываемый материал	Электрический режим	Максимальная высота микронеровностей, мкм	Средняя производительность,мм3\мин
	Частота, Гц	Средняя сила тока, А
Сталь	7 7 7 25 25 25	2 10 30 22 10 20	2 25 65 15 16 21	7-8 80 240 2-3 16 50
Твердый сплав ВК-20	7 7 25 25	5 30 5 20	12 20 9 14	5 50 2 20

При электроимпульсной обработке с низкими и средними частотами (50-1000 Гц) получают поверхностис большой шероховатостью при высокой производительности. Поэтому частоты указанного диапазона используют при черновой обработке.

Шероховатость поверхности и производительность, получаемые при электроискровой черновой обработке, приведены в табл.7.

Чистовую обработку ведут при частоте тока 7-200 кГц. Шероховатость поверхности и производительность, получаемые при высокочастотной электроимпульсной обработке, приведены в таб.8.

3. Технологические схемы и операции электроэрозионной обработки

Схемы формообразования. Формообразование деталей электроэрозионным методом можно осуществлять по следующим схемам.

Схема 1:

1-я схема. Копирование формы профилированного электрода инструмента или его сечения. При этом обрабатываемый элемент заготовки по форме является обратным отображением рабочее поверхности инструмента. Данную операцию называют прошиванием. Существуют методы прямого и обратного копирования. При прямом копировании инструмент находится над заготовкой, а при обратном - под ней. Метод прошивания, и в частности прямого копирования, прост, и его широко применяют в промышленности. На рис. 10 показаны некоторые технологические схемы электроэрозионной обработки заготовок 1 методами прямого (а-г) и обратного (д) копирования формы профилированного электрода 2. S_пр- направление подач.

Рис. 10. схема формообразования копированием геометрической формы электрода-инструмента

 2-я схема. Взаимное перемещение обрабатываемой заготовки профилированного электрода-инструмента (рис. 11). При схеме возможны операции вырезания сложнопрофильных деталей (рис. 11, а) и разрезания заготовок 1 непрофилированными электродами 2 (рис. 11,6, в), электроэрозионного шлифования рис. 11, г) и растачивания.

Рис. 11,3

3-я схема. Сочетание перемещений заготовки 1 и профилированного электрода 2 (огибание или обкат). Этот метод редко применяют, но он позволяет получить деталь сложной формы при простой форме электрода-инструмента (рис. 12).

Обработка полостей штампов и пресс-форм. Операции по обработке полостей штампов и пресс-форм осуществляют на электроэрозионных копировально-прошивочных станках по схеме 1. Эти операции делят на операции по прошиванию отверстий и по образованию объемных трехмерных поверхностей (ковочных и вытяжных штампов, различных пресс-форм, объемных калибров т. д.). Перед обработкой заготовки устанавливают на станке и закрепляют зажимными устройствами. Тяжелые заготовки иногда не закрепляют. Инструмент устанавливают и закрепляют с помощью зажимных устройств и магнитных патронов или выверяя по разметке с помощью отсчетных микроскопов.

рис. 12 Схема формирования обкатыванием:

1-заготовка; 2-электрод-инструмент; S_пр, S_кр- направление подачи.

Для обеспечения циркуляции рабочей жидкости в теле инструмента на расстоянии 20-40мм друг от друга выполняют специальные отверствия диаметром 1,2-2,5мм (рис. 13).

С целью стабилизации межэлектродного промежутка рекомендуется, чтобы расстояние между отверстиями входа жидкости и выхода (или контуром ) не отличались более чем в два раза.

Рис. 13. Схема обработки штампов:

1-заготовка; 2-электрод-инструмент; 3-канал для циркуляции рабочей жидкости.

Режим обработки выбирают, исходя из площади обработки, и изменяют его в зависимости от изменения этой площади в процессе обработки. После предварительной обработки инструмент заменяют новым (чистовым). Не доходя до получения окончательного вертикального размера на 0,4-0,5 мм электрические режим «смягчают». Окончательную обработку ведут на чистовых высокочастотных режимах. Эти режимы определяют по необходимой шероховатости поверхности. Иногда используют более удобный показатель интенсивности процесса - линейное перемещение электрода-инструмента. При правильном электрическом режиме для поверхности площадью 200-250 см2 эта скорость лежит в пределах от 0,3 до 0,6 мм.

Для обеспечения необходимых размеров детали на черновых и получистовых режимах производят коррекцию размеров инструмента на величину 2 (a+Zmin), где a - величина зазора; Zmin - минимальный припуск для следующего перехода.

Крупногабаритные штампы получают многоконтурной обработкой заготовок на электроэрозионных станках инструментом, состоящим из изолированных друг от друга секций, соединенных с параллельно работающими генераторами импульсов. На поверхности заготовок могут остаться небольшие буртики высотой 1-2 мм, которых не будет, если инструменту придать осциллирующее движение. Ширину изолирующих зазоров принимают равной двум межэлектродным зазорам.

Эффективность внедрения твердосплавных штампов, в условиях массового производства высокая, поскольку такой штамп заменяет около 20 стальных. Износ инструмента при электроэрозионной обработке твердых сплавов достигает 20-70%, поэтому для достижения необходимой точности следует корректировать поверхность инструмента с учетом ожидаемого износа либо применять несколько инструментов, приближая заготовку к заданной форме. При массовом производстве деталей не очень высокой точности для обработки твердосплавных вставок высадочных штампов можно использовать в качестве электрода-инструмента уже обработанную деталь. Для обработки чеканочных штампов, имею несколько сочлененных поверхностей, применяют разнотипные электроды-инструменты. В табл. 9 приведена эффективность электроэрозионной обработки инструментальной оснастки и получаемая точность. При необходимости получения в штампах и пресс-формах глянцевых формообразующих поверхностей обработку на режимах, обеспечивающих высоту микронеровностей 1,25 мкм, а затем их полируют механическим способом.

Таблица 9. Эффективность и точность получения оснастки электроэрозионным способом.

оснастка	Размеры обрабатываемых заготовок	Точность размеров, мм	Эффективность применения электроэрозийной обработки
Ковочные штампы
Мелкие Средние Крупные	До 100*100 400*400 Св.400*400	0,05-0,1 0,1-0,2 0,2-0,8	Сокращение слесарно-доводочных работ на 30-40%. Повышение стойкости оснастки на 40%.
Пресс-формы:
Мелкие Средние Мелкий и средний высадочный инструмент Литьевые формы: Мелкие Средние Вытяжные штампы	До 100*100 300*300 До 100*100 500*500 1200*1200	0,02-0,05 0,05-0,10 0,02-0,05 0,05-0,10 0,20-0,80 0,20-0,80	Снижение трудоемкости обработки в 2-5 раз Снижение трудоемкости обработки в 2-5 раз Снижение трудоемкости изготовления форм на 20-30% Снижение трудоемкости в 1,5-2 раза

Обработка элементов рабочих колес турбин и насосов. Рабочие колеса паровых и газовых турбин, а также некоторых работающих в очень тяжелых условиях, изготовляют из труднообрабатываемых материалов (коррозионностойких сталей, жарочных сплавов, тугоплавких материалов и т. п.). Особенно трудоемкая операция механической обработки межлопаточных каналов аэродинамического профиля.

Электроискровая обработка позволяет легко преодолеть эти трудности. Если лопатки установлены по периметру диска (или ротора), то для обработки его устанавливают на оправке делительного приспособления, фиксируя при обработке каждого канала и последовательно поворачивая последующих каналов.

Фасонную поверхность получают копированием конфигурации электрода-инструмента, который изготовляют в виде обратного отображения полости канала, но с меньшими размерами по нормали к точкам обрабатываемой поверхности.

Обработку ведут электродами марок ЭЭГ или МПГ.В оптимальном режиме скорость внедрения инструмента составляет 0,5-2мм/мин. Обработку ведут последовательно на черновом и чистовом режимах, используя изношенный на чистовом режиме инструмент для черновой новой обработки.

Если лопатки расположены на торце диска (рис 14,а), то электроэрозионную обработку производят инструментом (рис 14,б), набранным из секций или изготовленным монолитным, формируя одновременно все каналы.

Рис. 14.рабочее колесо насоса, обработанное на электроэрозионном станке, и электрод-инструмент

Прошивание окон, щелей и отверстий. Прошивание окон, щелей и отверстий выполняют на универсальных электроэрозионных станках. К этим операциям относится прошивание окон в матрицах штампов, узких щелей в литейных формах, отверстий в электромагнитах, криволинейных отверстий, каналов в корпус машин и гидроаппаратуры, глубоких отверстий малого диаметра.

Электроэрозионный метод позволяет обрабатывать элементы вырубных штампов из закаленных заготовок. Особенностями прошивания отверстий в штампах является необходимость точного сопряжения контура матрицы и пуансона, а также уменьшения влияния обратной конусности. Уменьшение конусности прошиваемого отверстия со стороны рубящей кромки матрицы достигается применением многоступенчатых электродов-инструментов, отсосом рабочей жидкости, смещением инструмента в сторону рабочей поверхности окна или приданием инструменту орбитального движения (рис. 15). При этом методе обработки межэлектродный зазор увеличивается на величину 2r, благодаря чему улучшаются условия удаления из зазора продуктов эрозии. Обработка поверхности заготовки производится различными участками электрода-инструмента, благодаря чему точность и качество обработанной поверхности повышается. Контур обработанного отверстия является по отношению к кривой, по которой перемещается центр планетарного движения электрода-инструмента. Существующее оборудование позволяет получить зазор 0,03-0,08 в сопряжении пуансона и матрицы. На прецизионных станках возможно обеспечение зазора 0,01-0,02 мм. Шероховатость поверхности: