Технология электроэрозионной обработки металлов

Электрическая эрозия — это явление переноса вещества электрическими разрядами. Электроэрозионными называются станки, использующие это свойство для обработки заготовок из электропроводящего материала.

В 1938 году советский инженер Л. А. Юткин разработал метод электроискровой штамповки металлов. В 1943 году советские ученые Б. Р. Лазаренко и Н. И. Лазаренко предложили использовать электрические разряды в воздушном промежутке для формообразования и получили патент на изобретение. Таким образом, приоритет в создании технологии электроэрозионной обработки принадлежит советским ученым.

Первый электроэрозионный прошивочный станок производства швейцарской фирмы SHARMILLES TECHNOLOGIES появился на рынке в 1952 г. Первый электроимпульсный станок с числовым программным управлением выпустила швейцарская же фирма AGIE в 1969 году.

Сущность электроэрозионного метода

При обработке электроэрозией заготовка и инструмент присоединяются к разным полюсам источника постоянного тока. Предмет у положительного полюса становится анодом, у отрицательного — катодом. Между ними пропускаются короткие импульсы, вызывающие искровой разряд. Меняя длительность импульсов, можно добиться, чтобы преобладала эрозия катода или анода. Энергия импульсов ограничена, что позволяет избежать перегрева заготовки и добиться очень высокой точности манипуляций.

Как правило, в качестве инструмента применяется проволока, что во много раз уменьшает стоимость по сравнению с механическими станками. К инструменту не прилагается больших усилий, его износ минимален.

Поскольку при эрозии происходит перенос материала, можно не только убирать объем, но и наращивать, восстанавливать поверхность и получать рельефные оттиски. Появляется возможность обработки заготовок из сверхтвёрдых материалов, для которых нельзя подобрать механический режущий инструмент.

Преимущества и недостатки

Любой метод имеет свои сильные и слабые стороны. Основные достоинства технологии:

При всех своих достоинствах метод имеет и весьма серьезные недостатки. Два основных минуса таковы:

По совокупности параметров электроэрозия превосходит многие традиционные методы металлообработки, а в некоторых случаях не имеет альтернативы. На сегодня сфера использования электроэрозии весьма обширна.

Области применения электроэрозионной обработки

Большим плюсом технологии является то, что на одном и том же устройстве можно выполнять самые разные операции. Электроэрозия применяется для следующих операций:

При традиционных методах для выполнения этих работ необходимо использовать несколько разных типов станков.

Типы оборудования для электроэрозии

В промышленности применяют два вида эрозионных станков — проволочный вырезной и прошивочный, принципиальное отличие которых заключается в технологии.

Проволочно-вырезной станок

В качестве инструмента используется очень тонкая, диаметром всего 0,1- 0,2 мм, проволока из тугоплавкого материала, обычно вольфрама или молибдена. Проволока намотана на барабаны и при движении вдоль поверхности заготовки вырезает линии по заданному контуру.

Проволочно-вырезной станок выполняет функции фрезерного оборудования. Однако точность получается намного выше, чем при традиционной механической обработке, в том числе при работе с металлами особой прочности.

Электроэрозионные прошивные станки

Прошивочные станки выпускаются как в стационарном, так и в настольном исполнении. В качестве рабочего инструмента служит электрод заданной формы. Углубление или отверстие в заготовке копирует форму электрода. На таких станках обрабатывают:

На таких станках получают глубокие отверстия очень малого диаметра или сложной формы. С помощью метода электроэрозии можно получать очень точные копии пресс-форм, штампов или иных деталей. Электрод, который в этом случае служит шаблоном, изготавливается из податливого материала, например, графита или меди. Меняя полярность подключения заготовки, можно получить на ее поверхности углубления или выпуклый рельеф с оттиском электрода.

Одной из самых трудоемких операций является нарезка резьбы в тугоплавких и особо прочных материалах. Движением электрода внутри отверстия в этом случае управляет станок с ЧПУ.

Электроэрозия — современный высокотехнологичный метод обработки металлов. Электроэрозионные станки приходят на замену традиционным механическим там, где необходима высокая точность, создание поверхностей или полостей сложной конфигурации, работа с заготовками из особо прочных металлов, легированных и закаленных сталей.

Источник

Электроэрозионная обработка и резка металла и материалов

Электроэрозионная обработка и резка металла и материалов.

Технология электроэрозионной обработки позволяет резать электропроводящий материал любой твердости (твердый сплав, титан, высоколегированные нержавеющие стали и т.п.). Электроэрозионная обработка металлов применяется для формирования сложного профиля, в том числе и под углом на большой длине, ширине и толщине детали, с требуемой высокой точностью – до сотых миллиметра.

Электроэрозионная обработка и резка металлов и материалов. Принцип электроэрозионной обработки и резки :

Электроэрозионная обработка – энергоемкий технологический процесс, заключающийся в изменении формы, размеров, шероховатости и свойств поверхности электропроводной заготовки – детали под действием электрических разрядов, возникающих между заготовкой и электродом-инструментом.

Частным случаем электроэрозионной обработки является электроэрозионная резка.

При этом заготовка является одним из электродов ( катод ), а другой электрод ( анод ) является инструментом, которым и происходит сама обработка. Когда электрод-инструмент касается детали, под действием искрового электрического разряда происходит локальное разрушение обрабатываемого участка металла. Это место охлаждается жидкостью со специальным составом. Она так же служит для вымывания образовавшихся отходов от разрушения.

Технология электроэрозионной обработки позволяет резать электропроводящий материал любой твердости (твердый сплав, титан, высоколегированные нержавеющие стали и т.п.).

Электроэрозионная обработка металлов применяется для формирования сложного профиля, в том числе и под углом на большой длине, ширине и толщине детали, с требуемой высокой точностью – до сотых миллиметра.

Получаемые путем электроэрозионной обработки изделия:

Фильеры, внутренние и внешние зубья, пазы, ребра радиаторов с высокими требованиями к теплопередаче и т.п.

Преимущества электроэрозионной обработки и резки:

– большая толщина реза,

– отсутствие деформаций поверхностного слоя,

– низкая шероховатость поверхности,

– электроэрозионная резка применяется тогда, когда некоторые материалы невозможно разрезать другим способом.

Схемы генерации импульсов при электроэрозионной резке и обработке:

– электроискровая схема предусматривает периодическую подачу импульсов электрического тока одной полярности в течение всего процесса обработки. В качестве анода вступает обрабатывающий инструмент. Электрическая схема такой установки генерирует затухающий импульс (синусоиду), что приводит к потерям энергии, т.к. пробой возникает при определенном значении тока. При большой длительности импульса процесс обработки детали (катода) ускоряется, но увеличивается шероховатость и снижается точность, т.к. анод начинает изнашиваться. Пауза между импульсами позволяет восстановиться показателю электропроводности и отвести продукты резания из зоны обработки;

– электроимпульсная схема предусматривает формирование униполярных электрических импульсов заданной формы. Вид осциллограммы импульса — П-образный или близкий к ней, что позволяет получать пробой между электродами без потерь и с заданной мощностью. Для повышения производительности импульсы могут объединяться в пакеты с небольшими паузами между ними. Пауза между пакетами используется для охлаждения рабочей пары, отвода продуктов обработки и восстановления показателя электропроводности жидкости.

В техническом исполнении и обслуживании электроискровая схема формирования импульсов более проста и дешевая, но по качеству поверхности и точности повторения контура формообразующего сечения она значительно уступает электроимпульсной.

Виды электроэрозионной обработки:

– простая электроэрозионная обработка и резка,

– комбинированная электроэрозионная обработка – электроэрозионная обработка, которая выполняется одновременно с другими видами обработки,

– электроэрозионно-химическая обработка – комбинированная электроэрозионная обработка, осуществляемая одновременно с электрохимическим растворением материала заготовки в электролите,

– электроэрозионная абразивная обработка – абразивная обработка с использованием электроэрозионного разрушения металла,

– анодно-механическая обработка – электрохимическая обработка в жидкой среде, при которой осуществляется растворение материала электрода-заготовки под действием электрического тока с образованием на обрабатываемой поверхности окисных плёнок и их удаление механическим действием.

Источник

Электроэрозионная обработка. Описание процесса, принципы, установки электроэрозионной обрботки.

1. Сущность и назначение электроэрозионной обработки

Схема электроэрозионной обработки материалов приведена на рис. 1.9. Схема запитывается импульсным напряжением разной полярности, что соответствует электроискровому режиму (1р) и электроимпульсному режиму (2р). Напряжение питания заряжает конденсатор (4), параллельно которому включен разрядный промежуток между электродом-инструментом (1) и обрабатываемой деталью (2), которые помещены в жидкость с низкой диэлектрической проницаемостью. Когда напряжение на конденсаторе превысит потенциал зажигания разряда, происходит пробой жидкости. Жидкость нагревается до температуры кипения и образуется газовый пузырь из паров жидкости. Далее электрический разряд развивается в газовой среде, что приводит к интенсивному локальному разогреванию детали, приповерхностные слои материала плавятся и продукты расплава в виде шариков застывают в проточной жидкости и выносятся из зоны обработки.

2. Стадии электроэрозионной обработки Режим электроискровой обработки

Режим электроимпульсной обработки

3. Физика электроэрозионной обработки

Явления, происходящие в межэлектродном промежутке, весьма сложны и являются предметом специальных исследований. Здесь же будет рассмотрена простейшая схема удаления металла из области обработки посредством электрической эрозии.

Как показано на рис. 1.10, к электродам 1 подведено напряжение, которое создает электрическое поле в межэлектродном промежутке. При сближении электродов на критическое расстояние, возникает электрический разряд в виде проводящего канала. Для повышения интенсивности разряда электроды погружают в диэлектрическую жидкость 2 (керосин, минеральное масло и др.) На поверхности электродов имеются микронеровности различной величины. Напряженность электрического поля будет наибольшей между двумя наиболее близкими друг к другу выступами на поверхности электродов, поэтому именно здесь возникают проводящие мостики из примесных частиц жидкости. Ток по мостикам нагревает жидкость до испарения и образуется газовый пузырь (4), внутри которого и развивается мощный искровой или дуговой разряд, сопровождающийся ударной волной. Возникают потоки электронов и ионов (положительные и отрицательные стримеры), которые бомбардируют электроды. Образуется плазменный канал разряда. Благодаря высокой концентрации энергии в зоне разряда температура достигает тысячи и десятков тысяч градусов. Металл на поверхности электродов плавится и испаряется. Капли расплавленного металла в результате движения потока жидкости в рабочей зоне выбрасываются за пределы электродов и застывают в окружающей электроды жидкости в виде мелких частиц сферической формы (5).

В табл. 1.2 приведена зависимость величины эрозии стального электрода от энергии и длительности одиночного импульса.

Зависимость величины эрозии стального электрода (анода) от энергии и длительности одиночного импульса

Характеристика импульса

Размеры лунки

Энергия, Дж

Длительность, мкс

Глубина, мм

Диаметр, мм

Объем, м3

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 электроды сближают в течение всего времени обработки так, чтобы электрические разряды не прекращались.

Параметры рабочих импульсов. Основными параметрами электрических импульсов, подаваемых на межэлектродный промежуток, 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 в секунду, через f. Тогда Т = 1/f будет являться периодом. Он определяет промежуток времени, через который следует очередной импульс.

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. Диапазон скважностей импульса при электроэрозионной обработке заключен в пределах от 1 до 30.

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.

Электроэрозионная обрабатываемость. Эффект эрозии различных металлов и сплавов, производимый одинаковыми по своим параметрам электрическими импульсами, различен. Зависимость интенсивности эрозии от свойств металлов называют электроэрозионной обрабатываемостью.

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.

С повышением частоты импульсов и снижением рабочего тока стабильность рабочего процесса ухудшается. Это вызывает необходимость увеличить скважность импульсов. Применение прямоугольных 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. 1.11).

Рис. 1.11. Схема подвода жидкости в межэлектродный промежуток через полый электрод при прошивании отверстия

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. 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. 1.12). 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. Следовательно, при электроэрозионной обработке происходит упрочнение поверхности детали.

Упрочнение поверхностного слоя металлов (электроэрозионное легирование). Одним из преимуществ электроискрового метода обработки материалов является то, что при определенных условиях резко повышаются прочностные свойства поверхности заготовки: твердость, износостойкость, жаростойкость и эрозионная стойкость. Эту особенность используют для повышения износостойкости режущего инструмента, штампов, пресс-форм и деталей машин, упрочняя металлические поверхности электроискровым способом.

Упрочняемый материал

Процесс

Особенности

Углеродистая сталь, со­держащая углерод в ко­личестве свыше 0,6 %, а также легирующие эле­менты в большом коли­честве

Источник

Публикации

Описание технологии электроэрозионной обработки

В настоящее время широкое развитие получили 3 типа электроэрозионной обработки:

Все эти операции показаны ниже.
Смотрите все наши работы, полученных электроэрозионной обработкой.

Вырезание проволокой

DK 7732 в г.Тольятти. Точность станка оказалась 7 мкм, при паспортной 12. Отчет, согласованный с Заказчиком здесь.

Смотрите еще примеры изделий, полученных электроэрозионной обработкой.

Прошивка (прожиг, сверление) тонких глубоких отверстий

В настоящее время на электростанциях и газоперекачивающих станциях парк газовых турбин импортного производства, в первую очередь производства «Simens» и «General Electric», исчисляется сотнями и вопрос уменьшения затрат при ремонтах для собственников оборудования приобретает особое значение.
Исчерпавшие моторесурс рабочие лопатки, снимаются с ротора турбины, закупается новый комплект рабочих лопаток и устанавливается на место старых.
Между тем, в 80 % случаев технологии ремонта позволяют проводить ремонт и восстановление направляющих (сопловых) рабочих лопаток и назначать им новый гарантированный ресурс равный первоначальному. Такое восстановление лопаток можно проводить 3-4 раза. То есть, вместо назначенного изготовителем рабочих лопаток рабочего ресурса до их замены в 35-40 тысяч часов, жизнь лопаток может быть продлена до 90-120 тысяч. Стоимость восстановленных лопаток с гарантированным ресурсом, таким же, какой имеют вновь изготовленные лопатки, на 35-50 % ниже. Таким образом, потребитель получает комплект лопаток, соответствующий по своим свойствам новым лопаткам, за цену вдвое меньшую.

Прожиг охлаждающих отверстий в лопатках газовой турбины

Смотрите еще примеры изделий, полученных электроэрозионной обработкой.

Прошивка электродом.

Смотрите еще примеры изделий, полученных электроэрозионной обработкой.

Электроэрозионная обработка основана на вырывании частиц материала с поверхности импульсом электрического разряда. Если задано напряжение (расстояние) между электродами, погруженными в жидкий диэлектрик, то при их сближении (увеличении напряжения) происходит пробой диэлектрика — возникает электрический разряд, в канале которого образуется плазма с высокой температурой.

Так как длительность используемых в данном методе обработки электрических импульсов не превышает 10 —2 сек, выделяющееся тепло не успевает распространиться в глубь материала и даже незначительной энергии оказывается достаточно, чтобы разогреть, расплавить и испарить небольшое количество вещества. Кроме того, давление, развиваемое частицами плазмы при ударе об электрод, способствует выбросу (эрозии) не только расплавленного, но и просто разогретого вещества. Поскольку электрический пробой, как правило, происходит по кратчайшему пути, то прежде всего разрушаются наиболее близко расположенные участки электродов. Таким образом, при приближении одного электрода заданной формы (инструмента) к другому (заготовке) поверхность последнего примет форму поверхности первого (рис. 1). Производительность процесса, качество получаемой поверхности в основном определяются параметрами электрических импульсов — их длительностью, частотой следования, энергией в импульсе. Электроэрозионный метод обработки объединил электроискровой и электроимпульсный методы.

Электроэрозионные методы особенно эффективны при обработке твёрдых материалов и сложных фасонных изделий. При обработке твёрдых материалов механическими способами большое значение приобретает износ инструмента. Преимущество электроэрозионных методов, как и вообще всех электрофизических и электрохимических методы обработки, состоит в том, что для изготовления инструмента используются более дешёвые, легко обрабатываемые материалы. Часто при этом износ инструментов незначителен.

Например, при изготовлении некоторых типов штампов механическими способами более 50% технологической стоимости обработки составляет стоимость используемого инструмента. При обработке этих же штампов электроэрозионными методами стоимость инструмента не превышает 3,5%. Условно технологические приёмы электроэрозионной обработки можно разделить на прошивание и копирование. Прошиванием удаётся получать отверстия диаметром менее 0,3 мм,что невозможно сделать механическими методами. В этом случае инструментом служит тонкая проволочка. Этот приём на 20—70% сократил затраты на изготовление отверстий в фильерах, в том числе алмазных. Более того, электроэрозионные методы позволяют изготовлять спиральные отверстия. При копировании получила распространение обработка ленточным электродом. Лента, перематываясь с катушки на катушку, огибает копир, повторяющий форму зуба. На грубых режимах лента «прорезает» заготовку на требуемую глубину, после чего вращением заготовки щель расширяется на нужную ширину. Более распространена обработка проволочным электродом, то есть лента заменяется проволокой. Этим способом, например, можно получать из единого куска материала одновременно пуансон и матрицу штампа, причём их соответствие практически идеально.

Разрушение поверхностных слоев материала под влиянием внешнего воздействия электрических разрядов называется электрической эрозией. На этом явлении основан принцип электроэрозионной обработки.

Электроэрозионная обработка заключается в изменении формы, размеров, шероховатости и свойств поверхности заготовки под воздействием электрических разрядов в результате электрической эрозии.

Под воздействием высоких температур в зоне разряда происходят нагрев, расплавление, и частичное испарение металла. Для получения высоких температур в зоне разряда необходима большая концентрация энергии. Для достижения этой цели используется генератор импульсов. Процесс электроэрозионной обработки происходит в рабочей жидкости, которая заполняет пространство между электродами; при этом один из электродов — заготовка, а другой — электрод-инструмент.

Под действием сил, возникающих в канале разряда, жидкий и парообразный материал выбрасывается из зоны разряда в рабочую жидкость, окружающую его, и застывает в ней с образованием отдельных частиц. В месте действия импульса тока на поверхности электродов появляются лунки. Таким образом осуществляется электрическая эрозия токопроводящего материала, показанная на примере действия одного импульса тока, и образование одной эрозионной лунки.

Материалы, из которых изготавливается электрод-инструмент, должны иметь высокую эрозионную стойкость. Наилучшие показатели в отношении эрозионной стойкости электродов-инструментов и обеспечения стабильности протекания электроэрозионного процесса имеют медь, латунь, вольфрам, алюминий, графит и графитовые материалы.

Общая характеристика процесса электроэрозионной обработки

Типовой технологический процесс электроэрозионной обработки на копировально-прошивочных станках заключается в следующем:

Прошивание отверстий

При электроэрозионной обработке прошивают отверстия на глубину до 20 диаметров с использованием стержневого электрода-инструмента и до 40 диаметров — трубчатого электрода-инструмента. Глубина прошиваемого отверстия может быть значительно увеличена, если вращать электрод-инструмент, или обрабатываемую поверхность, или и то и другое с одновременной прокачкой рабочей жидкости через электрод-инструмент или с отсосом ее из зоны обработки. Скорость электроэрозионного прошивания достигает 2-4 мм/мин.

Маркирование

Маркирование выполняется нанесением на изделие цифр, букв, фирменных знаков и др. Электроэрозионное маркирование обеспечивает высокое качество, не вызывает деформации металла и не создает зоны концентрации внутреннего напряжения, которое возникает при маркировании ударными клеймами. Глубина нанесения знаков может колебаться в пределах от 0,1 до 1 мм.

Операция может выполняться одним электродом-инструментом и по многоэлектродной схеме. Изготавливаются электроды-инструменты из графита, меди, латуни, алюминия.

Производительность составляет около 3-8 мм/с. Глубина знаков зависит от скорости движения электрода. При скорости движения электрода более 6 мм/с четкость знаков ухудшается. В среднем на знак высотой 5 мм затрачивается около 4.

Вырезание

В основном производстве электроэрозионное вырезание применяют при изготовлении деталей электро-вакуумной и электронной техники, ювелирных изделий и т.д. в инструментальном производстве, при изготовлении матриц, пуансонов, пуансонодержателей и других деталей, а также вырубных штампов, копиров, шаблонов, цанг, лекал, фасонных резцов и др.

Шлифование

Процесс электроэрозионного шлифования применяют для чистовой обработки труднообрабатываемых материалов, магнитных и твердых сплавов.

Отклонение размеров профиля после электроэрозионного шлифования находится в пределах от 0,005 до 0,05 мм, шероховатость Ra = 2,50,25, производительность — 260 мм2/мин.

С появлением электрических способов обработки оказалось в принципе возможным осуществление методами электротехнологии всего комплекса операций, необходимых для превращения заго­товки в готовую деталь, включая и ее термическую обработку.

Источник