Физические основы электроэрозионного процесса

 

Явление электрической эрозии было известно давно. В частности, искровые и дуговые разряды возникают при разрыве или отключении электрических цепей, что приводит к разрушению электрических контактов. Электрическая эрозия – очень вредное явление, сокращающее срок службы электрических устройств и снижающее надежность оборудования.

Электрической эрозией называют процесс разрушения металлов электрическими разрядами, возникающими в результате пробоя диэлектрического промежутка между электродами.

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 рассмотрим лишь простейшую схему процесса удаления металла посредством электрической эрозии. Электроэрозионная обработка основана на эффекте расплавления и испарения микропорций материала под тепловым воздействием импульсов электрической энергии, которая выделяется в канале электроискрового разряда между поверхностью обрабатываемой детали и электродом-инструментом, погруженным в жидкую непроводящую среду (диэлектрическую жидкость). Картина происходящих, поэтапно в межэлектродном промежутке физических процессов показана на рис.4.1. К электродам 1 и 4 (рис.4.1,а) подведено напряжение, которое создает электрическое поле в межэлектродном промежутке. При сближении электродов до расстояния достаточного для пробоя межэлектродного промежутка происходит электрический пробой. При этом от электрода, который в данный момент является катодом, отделяется стример 3 и направляется к аноду, ионизируя на своем пути жидкость. В результате этой фазы (ее длительность 10^–9-10^–7 с) образуется канал сквозной проводимости и сопротивление межэлектродного промежутка снижается от нескольких мега Ом до долей Ома.

 

 

Рис.4.1. Схема физических процессов в межэлектродном промежутке при электроэрозионной обработке

 

Через канал проводимости в виде импульса выделяется электрическая энергия, накопленная в источнике питания (рис.4.1,б). При этом происходит электрический разряд 5, длительность которого составляет 10^–6-10^–4 с, для которого характерна падающая вольтамперная характеристика. Разряд проходит искровую и дуговую стадии. Благодаря высокой концентрации энергии в зоне разряда и приэлектродных областях развиваются высокие температуры. Под их воздействием образуется парогазовая полость 7. В приэлектродных областях 8 происходит плавление и испарение микропорций металла на поверхности электрода. В результате развивающегося давления капли жидкого металла 6 выбрасываются из зоны разряда и застывают в окружающей электроды жидкой среде в виде мелких сферических частиц 9 (рис.4.1,в). Для повышения интенсивности разряда электроды погружают в диэлектрическую жидкость (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 поверхностях электродов, поэтому именно здесь происходит нарушение электрической прочности жидкости и возникает электрический пробой промежутка.

После пробоя электрическая прочность межэлектродного промежутка восстанавливается. Следующий разряд возникает в другом месте между другими неровностями поверхностей электродов. При этом электрод-инструмент получает возможность внедряться в обрабатываемую деталь. Выделяющаяся в столбе разряда энергия расходуется на испарение жидкости и представляет собой потери энергии. Это обусловило уменьшение длины межэлектродных промежутков между электродами (1-10 мкм), что диктуется также условиями техники безопасности по снижению рабочего напряжения установки.

Электрическая эрозия электродов определяется процессами, происходящими в приэлектродных областях на границе разряда, с одной стороны, и анодом и катодом с другой. Поток тепловой энергии, поступающий на граничную с токопроводящим каналом часть катода, слагается из нескольких составляющих.

Кинетическая энергия ионов, приобретаемая при их ускорении в зоне катодного падения потенциала U_к, и при столкновении с катодом ион выделяет энергию e·U_к, а ток ионов на единице поверхности выделяет мощность, равную

Р_к = j_и·U_к = ß_и j_к·U_к,

где – доля ионного тока; j_и и j_к – соответственно плотность ионного и полного тока на катоде. Ионы, разряжаясь на катоде, отдают ему энергию ионизации, и, отходя от него в виде атома, уносят энергию, равную работе выхода электрона φ_к. Ионный ток передает единице поверхности катода мощность

где Е_к – напряженность поля в зоне катодного падения потенциала; ε_о – электрическая постоянная.

Тепловая энергия нейтральных частиц с температурой Т_ч, отдающих мощность Р_т на единичной площадке:

где n_пов – количество частиц, пропорциональное их давлению в канале, приходящееся на единицу поверхности за 1 с.

Суммарный тепловой поток, поступающий на катод,

(4.1)

Как следует из уравнения (4.1), износ катода-инструмента, а также съем с катода-заготовки определяются ионным током и мощностью Р_т.

Поступающий на анод тепловой поток состоит из следующих составляющих:

– кинетической энергии электрона e×U_a, накопленной им при ускорении в области анодного падения потенциала U_а, мощности, поступающей на единицу поверхности анода, обусловленная электронами, равна j_а×(l – ß_и)×U_а (j_а – плотность анодного тока);

– энергии, равной работе выхода электрона из анода φ_а, соответствует мощности на единице поверхности j_а×(l – ß_и)×φ_а;

– тепловой энергии нагретых нейтральных частиц, соответствующей мощности на единице поверхности Р_т;

– тепловой и кинетической энергии паров, исходящих из катодного пятна;

– передаваемая ими удельная мощность Р_пар растет с повышением температуры плавления материала катода и скорости пара в струе.

Удельные потери энергии на аноде равны j_и φ_и (l – ß_и), где j_и – плотность ионного тока, φ_и – работа выхода положительных ионов;

где, φ_исп – энергия, эВ, достаточная для "испарения" одного атома;

Е_а – напряженность поля в зоне анодного падения потенциала.

Удельный тепловой поток на аноде

(4.2)

Как следует из формул (4,1) и (4.2), интенсивность процесса электрической эрозии определяется тепло - и электрофизическими свойствами обрабатываемых материалов.

В месте действия импульса тока на поверхности электродов остаются небольшие углубления - лунки, образовавшиеся вследствие удаления разрядом некоторого количества металла. Параметры лунки (диаметр и высота) определяются мощностью импульсного разряда Аи, его длительностью и свойствами материала. Таким образом, для лунки диаметр a d и глубиной h можно записать:

где, с_ср – удельная теплоемкость; λ – коэффициент теплопроводности обрабатываемого материала.

В процессе электроэрозионной обработки материалов могут изнашиваться оба электрода. Для сохранения электрода-инструмента следует подобрать пару металлов инструмента и изделия, чтобы инструмент не разрушался; подобрать режим работы источника питания или вообще его параметры так, чтобы инструмент оставался целым.

Параметры рабочих импульсов. Параметры импульсных разрядов в значительной степени определяют эффект электроэрозионной обработки металлов. 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 чистоту обработки поверхности.

Количество импульсов в секунду называется частотой импульсов f_и. Величину, обратную частоте, называют периодом Он состоит из двух частей – длительности импульсов t_и и интервала (паузы) между двумя смежными импульсами t_п (рис.4.2). Отношение периода импульса к его длительности называют скважностью. Скорость нарастания тока называют крутизной импульса S_И; она равна тангенсу угла наклона касательной к кривой фронта импульса. Импульс характеризуется амплитудным значением напряжения и тока (U_м и I_м). Это максимальные значения, которые приобретают напряжение и ток за время импульса. При электроэрозионной обработке амплитуда напряжения изменяется от нескольких вольт до нескольких сот вольт, а амплитуда тока от долей ампера до десятков тысяч ампер. Диапазон скважностей при электроэрозионной обработке заключен в пределах от 1 до 30.

 

 

Рис.4.2. Импульсы напряжения и тока: U – напряжение на электродах; 1 – ток в межэлектродном промежутке

 

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, а также от параметров электрической цепи, к которой подключены электроды. Хотя импульсы тока образуются под действием импульсов напряжения, форма импульсов напряжения и тока в точности не соответствуют друг другу, а часто имеют существенное различие. Это объясняется влиянием реактивных составляющих цепей (емкости и индуктивности), 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 площадь, охватываемые кривыми тока и напряжения, тем больше энергии несет импульс.

Среднее значение токов и напряжений в импульсе определяют по формулам:

(4.3)

(4.4)

где i и u – мгновенные значения тока и напряжения.

Действующие значения тока и напряжения за период соответственно

(4.5)

(4.6)

Энергия импульса

(4.7)

Средняя мощность импульса

(4.8)

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. Он определяется материалом электродов, энергией и длительностью импульсов, знаком подведенного к электроду потенциала.

При электроэрозионной обработке принято считать рабочей или прямой полярностью импульса ту его часть, которая вызывает наибольший эффект эрозии 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 следует использовать заготовку (прямая полярность). При увеличении длительности импульсов 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 – это зависимость интенсивности эрозии от свойств металлов при одинаковых параметрах электрических импульсов. Различное влияние импульсных разрядов на металлы и сплавы зависит от их теплофизических констант: температуры плавления и кипения, теплопроводности и теплоемкости. Если принять электроэрозионную обрабатываемость стали за единицу, то электроэрозионная обрабатываемость других металлов (при тех же условиях) в относительных единицах составляет для: вольфрама – 0,3; твердого сплава – 0,5; титана – 0,6; никеля – 0,8; меди –1,1; латуни –1,6; алюминия – 6. Указанные данные справедливы только для конкретных условий: энергия импульса 0,125 Дж; длительность импульса 14×10^–6 с; частота 1200 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 к действию разрядов и быть безопасными в эксплуатации. При работе жидкость загрязняется металлическими частицами и продуктами ее разложения, что приводит к значительному снижению электрической прочности и к увеличению среднего значения межэлектродного промежутка. В качестве диэлектрической среды целесообразно применять нефтепродукты (трансформаторное и веретенное масло, керосин и др.). Керосин применяют при прошивании отверстий малого диаметра, когда низкая вязкость среды особенно важна. В ходе обработки увеличивается зольность и вязкость рабочей жидкости, поэтому ее необходимо периодически заменять.

 

⇐ Предыдущая12131415161718192021Следующая ⇒

Поделиться:

Воспользуйтесь поиском по сайту: