 |
Электроэрозионная обработка
|
|
|
|
За последние годы электроэрозионная обработка не только окончательно закрепила свои позиции в современном инструментальном производстве, но и продолжает развиваться быстрыми темпами в направлении улучшения качественных показателей и предложения новых конструктивных решений.
Открытие формообразующего воздействия электрической эрозии на токопроводящие материалы состоялось в 1943 году и принадлежит нашим соотечественникам - супругам Б. и Н. Лазаренко. Когда повсюду в мире в 50-х годах лучшие умы всерьез взялись за эту технологию, чья-то советская руководящая воля свернула перспективные разработки и ввергла нас в отставание на многие десятки лет в области электроэрозионной обработки. Ну что же, как это не горько, поговорим об успехах других.
Диэлектрик в электроэрозионной обработке
Советские исследователи, супруги Лазаренко, которые впервые и открыли возможность использования явления электрической эрозии для обработки то-копроводящих материалов, в качестве диэлектрика вначале использовали окружающий воздух. Однако скоро выяснилось, что производные минеральных масел имеют в этом плане несравнимые преимущества: сила разряда - больше, можно
работать с меньшими искровыми промежутками, что улучшает точность операции. Новый материал диэлектрика также позволил увеличить частоту разрядов и лучше вымывать частички эродированного металла.
С 1960 года на рынок стали выходить химические компании, предлагающие специальные составы для использования в электроэрозионных установках.
О сути процесса:
Электроды - инструмент и заготовка - закреплены оснасткой станка и не соприкасаются друг с другом. Генератор электрических импульсов задает периодичность и напряженность электрического поля вокруг электродов. Во время процесса электроискрового воздействия серия периодических блуждающих электрических разрядов снимает тончайший слой материала с заготовки.
|
|
|
В точке, где напряженность электрического поля достигает максимума, происходит электрический разряд - молния в "микроатюре". Под действием электрического поля электроны и свободные положительные ионы разгоняются до высоких скоростей и моментально образуют ионизационный туннель, обладающий электрической проводимостью. Возникает электроток, и между электродом и заготовкой образуется искровой разряд, приводящий к столкновениям элементарных частиц. Во время этого процесса образуется газовый пузырек, давление которого непрерывно нарастает до образования плазменной зоны. Плазменная зона быстро достигает сверхвысоких температур - от 8000 до 12000°С - благодаря нарастающему числу столкновений элементарных частиц. Этот процесс приводит к моментальному плавлению микрослоев вещества у электрода. При исчезновении электрического поля внезапное снижение температуры приводит к взрыву плазменного пузырька, что сопровождается отрывом части материала с заготовки, и к образованию на этом месте микроскопического кратера. Эродированный материал затем формируется заново в виде маленьких сфер, которые вымываются жидкостью-диэлектриком. При очень коротком разрядном импульсе в движение приводится больше отрицательно заряженных частиц, нежели положительно заряженных. Чем больше частиц определенного заряда движутся к электроду, тем больше тепла вырабатывается на его поверхности. Из-за большего размера положительные частицы способствуют выработке большего тепла при тех же скоростях бомбардировки электрода-цели. Чтобы минимизировать снятие материала заготовки или износ инструмента, полярность выбирается таким образом, чтобы как можно больше тепла высвобождалось со стороны заготовки до завершения разряда. Для чего при коротких разрядах электрод-инструмент соединяется с отрицательной клеммой и, таким образом, имеет отрицательную полярность. При длительных разрядах, наоборот, электрод-инструмент подключается к положительному полюсу. На протяженность импульса, при которой должна поменяться полярность на заготовке и электроде-инструменте. влияет целый ряд факторов, в большей степени зависящих от физических параметров инструмента и свойств материала электрода. Когда идет обработка стали медным электродом, продолжительность периодичного генерируемого импульса составляет порядка 8 микросекунд.
|
|
|
Неблизнецы-братья
Технология электроэрозионной обработки продолжает развиваться по двум основным направлениям: проволочная электроэрозионная резка (wire electric discharge machining) и копировально-прошивная электроэрозионная обработка (ram (die sinking) electric discharge machining).
Проволочная электроэрозионная резка
Проволочная резка начала свое развитие с чистого листа в начале 70-х годов. Глобальное совершенствование процесса пришлось на период с середины 80-х до середины 90-х годов. Прогресс обозначился по шести ключевым направлениям известного соотношения цена-качество:
o скорость обработки;
o размер заготовки;
o угол конусной резки;
o цена;
oточность;
o длительная работа без вмешательства человека.
Функции диэлектрика:
Электроизолирующая. Диэлектрик должен разделять заготовку и электрод. Искровой разряд должен происходить в максимально узком промежутке между заготовкой и электродом, что позволяет сделать процесс производительным и точным.
Ионизационная. За очень короткое время необходимо создать все условия для формирования электрического поля. После импульса зона разряда должна быть очень быстро деионизирована для возможности повторного разряда. Диэлектрик должен способствовать максимальному сужению искровой зоны, чтобы добиться высокой плотности энергии в этой зоне.
Охлаждающая. Искровой разряд имеет сверхвысокую температуру, поэтому диэлектрик должен остудить и электрод, и заготовку. Также важно увести металлические газы, образующиеся в процессе электроэрозии.
|
|
|
Промывочная. Чтобы избежать электрического пробоя диэлектрик должен эффективно удалять эродированные крупицы металла.
Скорость. Номинальная максимальная скорость резки на сегодняшний день превышает 300 кв. мм/мин, (в лабораторных условиях реализована скорость вырезки 600 кв. мм/мин.). Конечно, средняя скорость резки в реальных производственных условиях ниже номинальных величин, однако и это впечатляет по сравнению с показателями четвертьвековой давности (25-30 кв. мм/мин.). Появление новых сплавов для проволоки может отодвинуть и эти рубежи.
Размер заготовки. Максимальные размеры заготовок, пригодных для обработки на вырезных станках, по осям Х и V достигают метра и даже больше (1300-1380 мм - по оси X). Однако особенно сильно за последние десятилетия вырос габаритный размер заготовки по оси 2, который сейчас доходит до 400 мм. До этой же отметки поднялись и координатные перемещения по оси 2. Всего этого удалось добиться благодаря новым конструктивным решениям, объединившим принципы неподвижности заготовки и более точной и жесткой реализации осевых движений.
Угол конусной резки. В современных установках достигаются углы вырезки конических отверстий до 30 градусов для заготовок толщиной до 400 мм. Более того, некоторые фирмы в качестве опциона предлагают установки с возможностью достижения конусности до 45 градусов. Такие возможности позволили с начала 90-х годов значительно расширить область применения электроэрозионной резки. Так, если раньше головки для экструзионных установок собирались из набора отдельно обработанных тонких пластин, то новые возможности электроэрозионных станков позволили изготавливать экструзионные головки из одной заготовки и за одну операцию. За счет этого удалось значительно снизить объем скрапа и увеличить производительность экструзионного процесса.
Цена. За более чем четверть века непрерывных работ на порядок улучшились характеристики вырезных станков, в то время как за этот же период оборудование подешевело приблизительно на 75% (с учетом фактора инфляции). Целый ряд обстоятельств способствовал снижению цены. Электронная начинка оборудования вобрала много решений, пришедших из компьютерной индустрии, которые уже тогда отличались прекрасным соотношением цена-качество - возросшая вычислительная мощь за меньшие деньги. Сильно увеличился объем производства электроэрозионного оборудования, что повысило эффективность таких производств. Кроме того, все новые и новые технические решения также способствовали планомерному снижению цен на установки.
|
|
|
Точность. Еще в 70-х и начале 80-х годов оператору станка приходилось вначале делать пробный рез образца и затем корректировать первоначальные настройки, прежде чем выйти на точные геометрические размеры изделия.
Искровые промежутки
Искровой промежуток разделяет заготовку и электрод. Даже при малой глубине обработки различают два типа промежутка: фронтальный и боковой. Фронтальный задается системой управления, в то время как боковой искровой промежуток зависит от продолжительности и высоты разрядного импульса, сочетания материалов, напряжения холостого хода и других заданных параметров.
Блок питания является важнейшим элементом электроэрозионной установки. Он преобразует переменный ток из силовой сети в прямоугольные импульсы определенной полярности. Размер импульсов и интервал между ними задается системой управления в соответствии с выполняемым режимом обработки. Сила тока разряда пропорциональна высоте импульса. Интервал между импульсами соответствует моменту отсутствия искрового разряда, а протяженность импульса соответствует длительности искрового разряда. Обе эти величины составляют тысячные или даже миллионные доли секунды.
Интервал между отдельными импульсами (длительность отсутствия электрического тока) также задается системой управления. Интервал измеряется в процентном отношении собственной длительности к длительности импульса.
Теперь все эти мытарства остались в прошлом и сегодняшняя точность станков достигает 0,001 мм.
Вовлечение современных информационных технологий (САD/САМ -системы) в технологический процесс также позволило увеличить точность обработки - новые установки со всем комплексом современного оснащения гарантировали повторение заложенной в программе геометрии с большой степенью точности.
Как уже отмечалось, современные модели станков на 75% дешевле своих ранних предшественников, в то же самое время они в 3-5 раз точнее.
Длительная работа без вмешательства человека. В 70-х годах электроэрозионные установки могли работать целыми часами без вмешательства оператора - тогда скорости резки были слишком малыми. В современных условиях, когда значительно возросли скорости обработки, практически полностью безлюдное производство обеспечивается за счет использования продвинутых систем автоматизации: устройства автоматической заправки проволоки, поиска отверстия, предотвращения обрыва проволоки, системы автоматизированной загрузки заготовок, удаления перемычек и т. д.
|
|
|
