1. Сущность и назначение электроэрозионной обработки
Электроэрозия - это разрушение поверхности изделия под действием электрического разряда. Основателями технологии являются советские ученые-технологи Б.Р. Лазаренко и Н.И. Лазаренко.
Электроэрозионная обработка (ЭЭО) широко применяется для изменения размеров металлических изделий - для получения отверстий различной формы, фасонных полостей, профильных канавок и пазов в деталях из твердых сплавов, для упрочнения инструмента, для электропечатания, шлифования, резки и др.
Рис. 1.9. 1 - электрод-инструмент, 2 - обрабатываемая деталь, 3 - среда, в которой производится разряд, 4 - конденсатор, 5 - реостат, 6 - источник питания, 1р - режим электроискровой обработки, 2р - режим электроимпульсной 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
Обрабатываемая деталь является анодом (+), то есть в данном случае деталь обрабатывается электронным потоком, то есть работает электронный стример, расплавляя объем анода-детали в виде лунки. Для того чтобы ионный поток не разрушал электрод-инструмент, используются импульсы напряжения длительностью не более 10 -3 с. Электроискровой режим используется для чистовой, точной обработки, поскольку съем металла в данном случае небольшой.
Режим электроимпульсной обработки
Обрабатываемая деталь является катодом, то есть на нее подается отрицательный импульс длительностью больше 10 -3 с. При электроимпульсной обработке между электродами зажигается дуговой разряд и обработка деталей ведется ионным потоком. Данный режим характеризуется большой скоростью съема металла, превышающей производительность электроискрового режима в 8-10 раз, но при этом чистота обработки существенно хуже. При обоих режимах в качестве рабочей жидкости, как правило, используется керосин или изоляционные масла.
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).
От взаимодействия жидкости с участками электродов, нагретых до температуры 100-400 0С, на границах плазменного канала разряда происходит пиролиз диэлектрической жидкости. В результате в жидкости образуются газы, а также асфальтосмолистые вещества. 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.
В табл. 1.2 приведена зависимость величины эрозии стального электрода от энергии и длительности одиночного импульса.
Таблица 1.2
Зависимость величины эрозии стального электрода (анода) от энергии и длительности одиночного импульса
Рис. 1.10. 1 - электроды, 2 - жидкость, 3 - лунки, 4 - газовый пузырь, 5 - продукты эрозии
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. Следующий разряд обычно возникает уже 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 электроды сближают в течение всего времени обработки так, чтобы электрические разряды не прекращались.
Параметры рабочих импуль сов. 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.
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 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 здесь 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. Эффект эрозии различных металлов и сплавов, производимый одинаковыми по своим параметрам 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 1.4-10 -5 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.
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.
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.
Рис. 1.12. 1 - пространство, оставшееся после выплавления металла; 2 - белый слой; 3 - валик вокруг лунки; 4 - обрабатываемая заготовка; БЛ, НЛ - диаметр и глубина лунки
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.
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 на истирание и меньшим, чем у нетермообработанной стали коэффициентом трения. Структура поверхностного слоя существенно 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 микронам.
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.
При электроискровом легировании применяют обратную полярность (заготовка является катодом, инструмент - анодом) обработку производят обычно в воздушной среде и, как правило, с вибрацией электрода. Аппаратура, с помощью которой осуществляется процесс упрочнения, малогабаритна и очень проста в эксплуатации. Основные преимущества электроискрового способа нанесения покрытий заключаются в следующем: покрытия имеют большую прочность сцепления с материалом основы; покрываемые поверхности не требуют предварительной подготовки; возможно нанесение не только металлов и их сплавов, но и их композиций. Процессы, происходящие при электроискровом упрочнении, сложны и являются предметом тщательных исследований. Сущность упрочнения состоит в том, что при электроискровом разряде в воздушной среде происходит полярный перенос материала электрода на заготовку. Перенесенный материал электрода легирует металл заготовки и, химически соединяясь с диссоциированным атомарным азотом воздуха, углеродом и материалом заготовки, образует диффузионный износоустойчивый упрочненный слой. При этом в слое возникают сложные химические соединения, высокостойкие нитриды и карбонитриды, а также закалочные структуры. По мнению специалистов, при электроискровом упрочнении в поверхностном слое, например, стали происходят процессы, приведенные в табл. 1.3.
Таблица 1.3
При электроискровом упрочнении микротвердость белого слоя в углеродистых сталях может быть доведена до 230 МПа, высота микронеровностей обработанной поверхности до 2,5 мкм. Толщина слоя покрытия, получаемого на некоторых установках, составляет 0,003-0,2 мм.
4. Основные технологии электроэрозионной обработки металлов
Технологии размерной обработки металлических деталей.
Формообразование деталей электроэрозионным методом можно осуществить по следующим схемам.
1. Копирование формы электрода или его сечения. При этом обрабатываемый элемент заготовки по форме является обратным отображением рабочей 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 прост в исполнении, и он широко применяется в промышленности. На рис. 1.13 представлена схема электроэрозионной обработки методом копирования формы электрода- инструмента. По мере электроэрозионной обработки электрод (1) внедряется в деталь, обеспечивая копирование электрода.
2. Взаимное перемещение обрабатываемой заготовки и электрода- инструмента. При этой схеме возможны операции вырезания сложно- профильных деталей и разрезание заготовок электродами, электроэрозионного шлифования и растачивания деталей.
Рис. 1.13. : 1 - электрод-инструмент, 2 - обрабатываемая деталь, 3 - жидкость, 4 - сосуд
Прошивание окон, щелей и отверстий. Эта операция осуществляется на универсальных станках. Электроэрозионным способом прошивают щели шириной (2,5-10) мм, глубиной до 100 мм. Для обеспечения удаления продуктов эрозии из межэлектродного промежутка, электрод-инструмент делают Т-образной формы или уменьшают толщину хвостовой части по сравнению с рабочей частью на несколько десятых долей миллиметра. Скорость прошивания щелей составляет (0,5-0,8) мм/мин, шероховатость обработанной поверхности - до 2,5 мкм.
Обработка деталей типа сеток и сит. Созданы электроэрозионные станки, позволяющие обрабатывать сеточные детали с числом отверстий до нескольких тысяч. Станки могут обрабатывать одновременно более 800 отверстий диаметром (0,2-2) мм в листах из коррозионно- стойких сталей, латуни и других материалов толщиной до 2 мм. Производительность обработки до 10000 отверстий в час.
Электроэрозионное шлифование. Это одна из разновидностей электроэрозионной обработки, которая используется для обработки высокопрочных заготовок из сталей и твердых сплавов. Удаление металла при этом происходит под воздействием импульсных разрядов между вращающимся электродом-инструментом и обрабатываемой заготовкой, а не в результате механического воздействия, как при абразивном шлифовании.
Методы прямого и обратного копирования имеют существенный недостаток, заключающийся в необходимости использования сложных фасонных электродов- инструментов. Износ электродов отражается на точности изготовления деталей, поэтому одним электродом-инструментом удается изготовить не более 5-10 деталей.
Электроискровой метод сложноконтурной проволочной вырезки выгодно отличается от методов копирования тем, что здесь инструментом является тонкая проволока из меди, латуни или вольфрама диаметром от нескольких микрон до 0,5 мм, включаемая в электрическую схему как катод (см. рис. 1.14).
Рис. 1.14. : 1 - проволока, 2 - обрабатываемая деталь, 3 - направляющие ролики, 4 - устройство для регулирования скорости протяжки проволоки
Для устранения влияния износа проволоки на точность обработки, проволока перематывается с одной катушки на другую, что позволяет все новым элементам участвовать в работе. При перемотке осуществляется небольшой натяг. Возле обрабатываемой заготовки установлены ролики, ориентирующие проволоку относительно обрабатываемой детали. Сложноконтурная проволочная вырезка применяется при прецизионном резании заготовок, прорезании точных щелей, резании полупроводниковых материалов, обработке цилиндрических, конических наружных и внутренних поверхностей.
К основным достоинствам электроэрозионной обработки проволочным электродом-инструментом относится высокая точность и возможность широкой автоматизации процесса.
Электроконтактный способ обработки. Электроконтактная обработка материалов является разновидностью электроэрозионной обработки. Отличие ее состоит в том, что импульсы электрической энергии генерируются в результате взаимного перемещения электродов или прерывания электрического разряда при прокачке жидкости под давлением. Электроконтактную обработку можно проводить при постоянном и переменном токе, в воздухе или жидкости (вода с антикоррозионными добавками). При обработке электрод-инструмент и заготовку полностью погружают в жидкость либо подают жидкость в межэлектродный промежуток распылением. Обработку производят при значительных токах (до 5000 А) и напряжениях холостого хода источника питания 18-40 В. Электроконтактным методом производят получистовое точение тел вращения, чистовую резку, прошивание цилиндрических, фасонных отверстий и объемных полостей, фрезерование, шлифование. Электроконтактный метод особенно эффективен при обработке заготовок из труднообрабатываемых сталей и сплавов, а также чугунов высокой твердости, монокристаллов, материалов с высокими теплофизическими свойствами.
Принципиальная схема установки для электроконтактной обработки выглядит следующим образом. Заготовка и электрод-инструмент, имеющие ось вращательной симметрии и включенные в цепь с источником питания, после соприкосновения совершают вращательное движение друг относительно друга.
При соблюдении условий, необходимых для реализации электроэрозионных процессов, происходит съем металла с заготовки.
Упрочнение поверхностного слоя металла (электроэрозионное легирование)
Одним из преимуществ электроэрозионной обработки металлов является то, что при определенных условиях резко повышаются прочностные свойства поверхности заготовки. Эту особенность используют для улучшения износостойкости режущего инструмента, штампов, пресс-форм и т.д. При электроэрозионном легировании применяют обратную полярность (заготовка является катодом, инструмент - анодом) обработку производят обычно атомами инструмента-электрода в электроимпульсном режиме (см. рис. 1.15) в воздушной среде и, как правило, с вибрацией электрода.
Рис. 1.15 Схема электроэрозионного легирования: 1 - легирующий электрод-инструмент, 2 - легируемая деталь
Основные преимущества электроэрозионного легирования заключаются в следующем: покрытия имеют большую степень сцепления с материалом основы; покрываемые поверхности не требуют предварительной подготовки; возможно нанесение не только металлов и сплавов, но и их композиций.
Процессы, происходящие при электроэрозионном упрочнении, сложны и являются предметом тщательных исследований. Однако, сущность упрочнения состоит в том, что при электроискровом разряде в воздушной среде происходит перенос материала электрода на заготовку (см. рис. 1.15). Перенесенный материал электрода легирует металл заготовки и, химически соединяясь с ионами азота воздуха, углеродом и материалом заготовки, образует износоустойчивый упрочненный слой, состоящий из нитридов, карбонитридов и других закалочных структур.
При электроискровом легировании микротвердость белого слоя в углеродистых сталях может быть доведена до 230 МПа. Толщина слоя покрытия, получаемого на некоторых установках, составляет 0,003-0,2 мм. При упрочнении поверхности деталей машин (например, на установке ИЕ-2М) можно получить глубину слоя до 0,5-1,6 мм с микротвердостью 50-60 МПа (при упрочнении феррохромом).
Различают чистую обработку, которая соответствует высоким напряжениям и небольшим значениям токов короткого замыкания (до 20 А), и грубую (грубое легирование) при низких напряжениях 50-60 В и токах короткого замыкания свыше 20 А.
Работа на электроэрозионных станках. Подготовка электроэрозионных станков к работе заключается в установке заготовки и электрода-инструмента и выверке их взаимного расположения, подготовке ванны к работе и системы прокачки рабочей жидкости, выбору и настройке режимов генератора. Заготовку устанавливают и закрепляют непосредственно на столе станка или в приспособлении. Электрод-инструмент устанавливают хвостиком в шпиндель головки. При выверке используют индикаторы, оптические приборы, приспособления, позволяющие изменять положение инструмента по отношению к заготовке и угол наклона.
Осуществив выверку положения электрод-инструмента, заполняют ванну рабочей жидкостью, проверяют работу системы прокачки, устанавливают необходимое давление прокачки. Задают режим генератора импульсов (полярность, форма импульсов, скважность, частоту следования импульсов, средний ток), пользуясь соответствующими таблицами и номограммами. Изменение полярности напряжения генератора импульсов производится путем переключения на штепсельном разъеме токоподводов к станку. При работе с прямой полярностью (электроискровой режим) на электрод подается отрицательный потенциал, а на заготовку - положительный. Для работы с обратной полярностью (электроимпульсный режим) производят обратное переключение. Установку электрических параметров и режимов работы осуществляют с помощью переключателей, расположенных на панели пульта управления. Настраивают регулятор подачи, устанавливая рекомендуемое напряжение регулятора.
Современные устройства, машины, приборы и механизмы состоят из более сложных деталей, если сравнивать их с устройствами, которые выходили ранее. На данном этапе технического прогресса от устройств требуется выполнение больших объёмов работы. Люди склонны всё механизировать для того, чтобы упрощать свою повседневную жизнь, а также для достижения новых результатов в исследованиях или в таких областях, как строительство, промышленность и так далее. Вместе со сложностью деталей соответственно усложнилась их обработка.
Для обрабатывания деталей используют различные устройства. Они различаются и принципом работы, и назначением, и в других аспектах. Но огромное количество специалистов подчёркивает преимущество использования электроэрозионных станков, которые предназначены для обработки различных деталей , причём с весьма убедительными результатами и показателями.
Назначение электроэрозионных станков
Электроэрозионные станки применяются для вырезания различных заготовок, имеющих самую разную форму и размеры. Обработка происходит либо под прямым углом, либо под углом от 1 до 30 градусов. Угол, под которым производится обработка заготовок, зависит прежде всего от комплектации станка. Начало реза может происходить от кромки заготовки, а также и изнутри её через отверстие, которые предварительно просверлено. Электроэрозионные станки предназначаются для производства деталей с точностью до 0,015 миллиметра.
Основным предназначением электроэрозионных станков считается замена штамповки. Станки такого типа могут вырезать сразу несколько заготовок , благодаря возможности пакетной обработки. При этом не требуется последующая фрезеровка детали, так как при обработке не происходит поверхностной деформации обрабатываемой заготовки.
Также станок позволяет производить различные матрицы и шаблоны. Одним из его больших преимуществ является то, что он может быть легко и быстро перенастроен. В принципе, вся перенастройка электроэрозионного станка заключается в выполнении нескольких операций: сначала нужно загрузить из AUTOCAD требуемый чертёж, затем произвести несколько действий уже на компьютере, после чего настроить генератор и уже после этого можно начинать обработку следующей заготовки. Опытные операторы тратят на настройку устройства в среднем всего 15 минут.
Станки такого типа состоят из следующих узлов:
Станина станка
Данная деталь отливается из чугуна. В камере сняты внутренние напряжения. Внутреннее пространство станины предназначено для монтажа электрооборудования , так как сама станина имеет коробчатый тип. Рабочая часть станины в прецизионно отшабрена и отшлифована в некоторых местах, а именно: на каретке барабана, на креплениях колонны и на направляющих рабочего стола.
Рабочий стол станка
Это очень важная составляющая электроэрозионного станка. Состоит рабочий стол из двух плит, которые установлены на шарико-роликовые направляющие. Плиты устанавливают друг над другом.
Если существует потребность в перемещении стола, то нужно задействовать два шаговых двигателя. Делается это при помощи двух шарико-винтовых пар. Также можно менять положение рабочего стола вручную , при этом используя колесо подачи, которые закреплены всё на тех же валах шарико-винтовых пар.
Проволочный конвейер
Данная часть станка состоит из проволочного барабана, а также системы роликовых направляющих, которые размещены в нижнем и верхнем рукавах.
Управляющий компьютер и генератор могут быть размещены либо в стойке, либо в рабочем столе с тумбой. Отличия лишь в стоимости устройства, монолитности компоновки, а также в дизайне всего оборудования.
Принцип работы электроэрозионного станка
После того как выше были рассмотрены конструктивные аспекты существующих электроэрозионных станков, следует разобраться в принципе их работы. Нельзя не упомянуть, что процедуры обработки деталей, которые применяются на устройствах такого типа, позволяют достигать просто поразительных результатов.
Для начала пару слов о том, что такое электрическая эрозия, ведь как мог уже догадаться читатель из названия станка, именно эта реакция стоит в основе работы таких устройств.
Разрушение верхнего слоя поверхности материала под влиянием внешнего воздействия, осуществляемого электрическими разрядами, называется электрической эрозией. Именно этот процесс и стал основой для обработки различных материалов и деталей , который называется электроэрозионным.
Сама электроэрозионная обработка осуществляется путём изменения размеров, формы, шероховатости и свойств поверхности обрабатываемой заготовки под влиянием электрических разрядов в результате электрической эрозии, воздействующих на заготовку при обработке.
Из-за того, что в зоне разряда действуют весьма высокие температуры (8000 - 12000 градусов по Цельсию), металл подвергается следующим изменениям : нагрев, затем последующее расплавление и даже частичное испарение. Для того чтобы получить такие высокие температуры в зоне разряда, создаётся большая концентрация энергии, которая достигается благодаря генератору электрических импульсов. Сам процесс электроэрозионной обработки происходит в рабочей жидкости, а именно в дистиллированной воде. Она заполняет пространство между имеющимися электродами. Одним из этих электродов является сама заготовка, а вторым - электрод-инструмент (электрод трубчатый).
Под действием сил, которые возникают в канале разряда, а также благодаря тому, что электрод быстро вращается, происходит выброс уже жидкого и парообразного металла из зоны разряда в окружающую его рабочую жидкость, а затем его застывание в ней с образованием отдельных мелких частей. В заготовке, под действием импульса тока, образуется отверстие. Кроме этого, можно наблюдать угар электрода-инструмента , происходящий параллельно образованию отверстия.
Следует заметить, что электрод-инструмент обязательно должен быть изготовлен из материала с высокой эрозионной стойкостью. Такими материалами, которые обладают таким важным качеством и которые способны обеспечить стабильность протекания процесса электроэрозии, являются: вольфрам, графит, алюминий, латунь, медь и графитовые материалы. Обычно в таких станках используются медные или латунные трубчатые электроды.
Параметры, которые влияют на скорость и точность обработки
Для того чтобы ещё лучше разобраться в работе электроэрозионных станков и влиять на её качество, можно указать несколько важных параметров , которые напрямую влияют на точность и скорость процесса обработки:
Кроме вышеназванных параметров можно назвать ещё один, который также может оказывать большое влияние на процесс электроэрозионной обработки. Этим параметром является положение универсального патрона для крепления электродов, а именно прямолинейность его нахождения относительно оси Х. Поэтому пользователю станка настоятельно рекомендуется осуществлять поверку патрона на регулярной основе.
Возможности электроэрозионного станка
После того, как были обговорены все тонкости процесса обработки на электроэрозионном станке, можно упомянуть о возможностях этого очень полезного устройства, со столь внушительным функционалом.
Электроэрозионный станок:
Выводы
Электроэрозионные станки являются очень полезными устройствами, которые способны выполнять очень сложную работу. Огромное количество пользователей, которые проводят обработку различных материалов именно на станках такого типа, свидетельствуют в пользу такого оборудования, зарекомендовавшего себя с наилучшей стороны.
Целый ряд достоинств, а также нетипичный принцип работы, которые позволяет достигать выдающихся результатов при обработке различных заготовок, делают это обрабатывающее оборудование настоящим титаном среди устройств другого типа, но предназначенных также для обработки различных заготовок.
Простота эксплуатации электроэрозионных станков позволяет осуществлять на нём работу даже тем пользователям, которые ранее не имели опыта или определённых навыков работы с таки оборудованием.
Принцип работы электроэрозионных станков, заключающийся в использовании электрической эрозии для обработки заготовок, позволяет добиваться очень качественных результатов.
Самодельный электроэрозионный станок целесообразно собирать в том случае, если высокоточные работы с металлом выполняются часто и в относительно больших объемах. Это сложное в изготовлении оборудование, которое редко используется в быту. Он оправдан в металлообрабатывающих цехах и мастерских в качестве финишного инструмента обработки заготовок после фрезерного или токарного станков или изготовления мелких деталей сложной конфигурации.
Принцип работы электроэрозионного станка требует изготовления как электронной схемы, генерирующей импульсный ток высокой силы, так и сложной механической части, обеспечивающей движение электрода (проволочного или штучного). Основная сложность - сделать генератор, который может за короткое время накопить достаточный для пробоя заряд, выбросить его за доли секунды и за столь же короткий промежуток восстановить его. При недостаточной плотности тока электроэрозионная обработка невозможна даже на тонких деталях из мягких металлов.
Основные части самодельного проволочного электроэрозионного станка:
· станина - чугун или сталь;
· рабочий стол - прочный пластик или нержавейка;
· ванна для диэлектрика, служащая рабочей зоной;
· система подачи проволоки (две катушки, электродвигатель, привод, направляющие);
· система управления электродом (для прошивочных);
· система запуска и остановки;
· блок прокачки диэлектрика - насос, фильтры, трубопроводы;
· генератор;
· система управления.
Последний пункт - один из самых сложных, необходимо синхронизировать подачу проволоки по скорости и направлению, частоту импульса и подачу диэлектрической жидкости. Следует учесть, что в процессе работы жидкость ионизируется, и свойства ее значительно изменяются.
Преимущества электроэрозионной обработки
Такие работы должны осуществляться только на специальном оборудовании под обязательным присмотром квалифицированного специалиста, имеющего соответствующий допуск . Хотя такой способ делает заготовку более точной и качественной, промышленные предприятия предпочитают применять механическую обработку металла.
Поэтому необходимо отметить основные достоинства электроэрозионного воздействия на разнообразные виды заготовок.
Используя такой метод, практически всегда удается добиться самого высокого качества поверхности металла, в результате чего она становится максимально точной и однородной . При этом полностью исключается необходимость проведения финишной обработки. Также этот метод гарантирует получение на выходе поверхности разнообразной структуры.
Также к достоинствам электроэрозионной обработки металла относят возможность осуществлять работу с поверхностью любой твердости и отсутствие шума при работе на специальном оборудовании.
Электроэрозионное воздействие полностью исключает возникновение деформации поверхности у деталей, имеющих небольшую толщину. Это возможно из-за того, что при таком методе не возникает никакой механической нагрузки , а рабочий анод имеет минимальный износ. Кроме того, электроэрозионная обработка способствует получению поверхности разнообразных геометрических форм и конфигураций при минимальных усилиях.
Недостатки электоэрозионной обработки
Есть определенные недостатки, которые определяют отсутствие возможности повсеместного использования электроэрозионной обработки. К основным недостаткам можно отнести:
1. Невысокая производительность. Для изменения формы или размеров, качества поверхности требуется довольно продолжительное воздействие электрического разряда. Большая часть оборудования имеет следующий показатель производительности: 10 миллиметров за одну минуту.
2. Высокое энергопотребление определяет то, что стоимость получения деталей очень высока. Электричество – самый дорогой источник энергии, который используется во многих сферах промышленности.
3. Сложность процесса определяет то, что управлять оборудованием может исключительно профессионал.
4. Есть определенные требования к тому, где устанавливается техника. Стоит учитывать то, что технология предусматривает подачу тока с высокой силой тока и напряжением.
Промышленная обработка металлов включает в себя несколько десятков способов и методов изменения формы, объема и, даже молекулярной структуры материала. Электроискровая обработка металлов - одна из распространенных технологий работы с металлом, отличающаяся высокой точностью и производительностью. При помощи электроискровых станков можно:
- резать металл;
- сверлить отверстия микроскопического диаметра;
- наращивать дефектные области деталей;
- производить ювелирные работы с драгоценными металлами;
- упрочнять поверхность изделий;
- шлифовать изделия самой сложной формы;
- извлекать застрявшие сломанные сверла и резцы.
На базе электроискрового метода обработки металлов создано немало станков промышленного назначения. Это высокоточная и дорогая техника, которую могут позволить себе купить только крупные предприятия, специализирующиеся на металлообработке.
Но иногда электроискровые станки требуются и в мастерских или цехах, где их услуги требуются время от времени. Для этого можно купить промышленное устройство с несколько ограниченными возможностями (функционал в пределах самых востребованных операций), или построить самодельный электроискровой станок. Это вполне возможно даже в домашних условиях, не говоря уже о предприятиях, в составе которых есть токарные и электромеханические цеха или участки.
Базируется обработка металлов электроискровым способом на свойстве электрического тока переносить вещество при пробое. При высоком напряжении и силе постоянного тока (1-60 А) анод (положительно заряженный электрод) нагревается до высокой температуры в пределах 10-15 тысяч градусов Цельсия, расплавляется, ионизируется и устремляется к катоду. Там, в силу электрических взаимодействий он осаживается.
Чтобы в процессе работы не возникала полноценная электрическая дуга, электроды сближаются только на короткие мгновения, длящиеся доли секунда. За это время возникает искра, разрушающая анод и наращивающая катод. Обрабатываемый участок подвергается нагреву и воздействию электротока на протяжении миллисекунд, при этом соседние области и лежащий ниже слой не успевают прогреться и структура их не нарушается. Проблема пограничных состояний не возникает в принципе.
Если требуется резка или сверление - катодом служит рабочий инструмент, а анодом - обрабатываемая деталь. При наращивании, укреплении поверхности или восстановлении формы детали, они меняются местами. Для этих видов обработки созданы специальные станки, каждый из которых выполняет свои операции.
Инструментом в установках электроэрозионного действия служат латунные или медно-графитные электроды, хорошо проводящие ток и недорогие в изготовлении. С их помощью можно резать и сверлить самые твердые сплавы. Чтобы металл катода не оседал на электроде и не увеличивал его размера, процесс происходит в жидкой среде - жидкость охлаждает капли расплава, и он не может осесть на электроде, даже если и достигает его. Вязкость жидкости определяет скорость движения материальных частиц, и они не успевают за током. Металл оседает в ванне в виде осадка и не мешает дальнейшему прохождению тока.
При наращивании поверхности деталей или укреплении, металл с анода переносится на катод. В этом случае на вибрационной установке закрепляется положительный электрод, служащий донором металла, а деталь присоединяется к отрицательному полюсу. Вода или масло в этом процессе не используются, все происходит в воздухе.
Технологические показатели
Электроискровая установка, в зависимоти от режима роботы, может обеспечивать точность результата в широких пределах. Если требуется высокая производительность при относительно невысоких требованиях к состоянию поверхности (I и II класс), то используются токи 10-60 А при напряжении до 220В. В этом случае электроискровая эрозия может удалить из зоны реза или сверления металл в объеме до 300 мм 3 /мин. При более высоких показателях класса точности - VI и VII, производительность снижается до 20-30 мм 3 /мин, но и токи требуются поменьше, не более 1 А при напряжении до 40 В.
Такой широкий диапазон регулировок показывает, что электроискровая обработка металла может использоваться в различных областях, как для производства крупных серий деталей, так и для разовых работ, включая ювелирные.
Особенностью применения электроискровых установок можно считать возможность укрепления деталей различной конфигурации. На поверхность заготовки наноситься тончайший слой более прочного сплава или металла без нагрева основания на большую глубину. Это позволяет сохранить структуру металла базового изделия и значительно изменить свойства его поверхности. В некоторых случаях требуется вязкость основания и высокая твердость поверхности, или в обратном порядке. Решить эту задачу может только электроискровой станок.
Схема электроискрового станка
Обработки металлов электроискровым способом очень распространена, поэтому очень сложно рассмотреть все виды оборудования и модели конкретных установок. Они все объединены общими конструктивными элементами:
- источником постоянного тока;
- конденсатором;
- вибратором;
- переключателем режимов.
Конструкция, работающая в электроискровом режиме, может отличаться рядом характеристик, допускающих работу с тем или иным материалом, но общие принципы построения рабочей схемы одинаковы.
Батарея конденсаторов согласована с механическим движением электрода, разряд происходит в момент максимального сближения рабочих поверхностей. Релаксационные генераторы импульсов определяют максимальный заряд конденсатора при максимальной амплитуде отклонения от точки сближения. После искрового разряда конденсатор успевает зарядиться в полном объеме.
Отличие электроискровой эрозии от дуговой сварки и резки
Использование импульсного воздействия электрического тока отличается от воздействия дуги. Импульс работает в очень ограниченном пространстве, не успевая прогреть соседние участки. Даже на самых сложных в плане термического окисления сплавах инертная атмосфера не потребуется - взаимодействие происходит на площадях не более 0,05-1 мм 2 при глубине воздействия 0,05-0,3 мм. Даже в самой агрессивной атмосфере не успевают возникнуть условия для активного окисления.
Электроискровой станок своими руками
Одной из главных деталей электроискровой установки, которую можно реализовать своими руками, конечно, при соблюдении всех правил техники безопасности, приведена ниже. Следует отметить, что это только одна из многих схем, которые можно использовать в конструкции станка.
Рабочий стол станка должен быть оборудован системой удаления окислов (непрерывной подачей масла или керосина). Они снижают вероятность отложения оксидной пленки на поверхности детали и, в результате, прекращения искрообразования. Для пробоя необходим надежный электрический контакт. Как основной вариант можно использовать ванночку, заполненную жидкостью.
Электрод представляет собой латунную или медную проволочку требуемого диаметра, которая закреплена в зажиме. Зажим, в свою очередь, представляет собой деталь вертикального штока кривошипно-шатунного механизма, который приводится в движение от электродвигателя. Частота возвратно-поступательного движения электрода выбирается в зависимости от особенностей обрабатываемого материала.
Все токопроводящие детали и кабели должны быть качественно и надежно изолированы, сама установка заземлена. Посмотреть, как работают бытовые самодельные установки можно на видео:
Следует отметить, что самодельные станки никогда не сравняются по возможностям с промышленными, например серией АРТА. Для производства кустарных изделий или использования в качестве одного из видов хобби, они, может быть и пригодны, но для работы в мастерской или слесарном цехе не «дотягивают». Не говоря уже о том, что сложность электрической схемы и необходимость точного согласования кинематики и разряда конденсатора делают их очень сложными в регулировке.
Для изменения формы размеров заготовки из металла можно использовать электроэрозионный метод обработки. Он используется на протяжении многих лет в различных отраслях промышленности, характеризуется высокой точностью, но малой производительностью. Для применения данного метода обработки следует использовать специальный электроискровой станок, который можно приобрести или сделать своими руками. Самодельный вариант исполнения можно использовать в быту при мелкосерийном производстве. Его стоимость изготовления своими руками будет ниже, чем покупка промышленного варианта исполнения. Поэтому рассмотрим подробнее то, как можно сделать рассматриваемый электроискровой станок своими руками, что для этого понадобиться и в каких случаях он сможет использоваться.
Принцип рассматриваемого метода обработки
Особенностью обработки электроискровой установкой можно назвать то, что испарение металла происходит из-за воздействия определенного заряда на поверхность заготовки. Примером подобного воздействия можно назвать замыкание конденсатора на металлической пластинке – образуется лунка определенных размеров. Электроэрозионный разряд создает высокую температуру, которая просто испаряет металл с поверхности. Стоит отметить, что станок из этой группы уже используется на протяжении последних 50 лет в различных сферах промышленности. Главным условием использования подобного электроискрового станка можно назвать то, что заготовка должна быть изготовлена из определенного металла. При этом учитывается не степень обрабатываемости, а электропроводящие свойства.
Основной элемент конструкции
Электроэрозионный станок имеет искровой генератор, который выступает в качестве конденсатора. Для обработки следует использовать накопительный элемент большой емкости. Принцип обработки заключается в накоплении энергии в течение длительного времени, а затем ее выброс в течение короткого промежутка времени. По этому принципу работает также устройство лазерной установки: уменьшение промежутка времени выброса энергии приводит к увеличению плотности тока, а значит существенно повышается температура.
Принцип работы генератора, который установлен на электроэрозионный станок, заключается в следующем:
- диодный мост проводит выпрямление промышленного тока напряжением 220 или 380 Вольт;
- установленная лампа ограничивает тока короткого замыкания и защиты диодного моста;
- чем выше показатель нагрузки, тем быстрее проходит зарядка электроискрового станка;
- после того как зарядка закончится, лампа погаснет;
- зарядив установленный накопитель можно поднести электрод к обрабатываемой заготовке;
- после того как проводится размыкание цепи, конденсатор снова начинает заряжаться;
- время зарядки установленного накопительного элемента зависит от его емкости. Как правило, временной промежуток от 0,5 до 1 секунды;
- на момент разряда сила тока достигает несколько тысяч ампер;
- провод от конденсатора к электроду должен иметь большое поперечное сечение, около 10 квадратных миллиметров. При этом провод должен быть изготовлен исключительно из меди.
Частота генерации при подводе электрода электроискрового станка составляет 1 Гц.
Конструкция электроискрового станка
Есть схемы, реализовать которые достаточно сложно. Рассматриваемая схема может быть реализована своими руками. Детали для устанавливаемого генератора не в дефиците, их можно приобрести в специализированном магазине. Конденсаторы также имеют большое распространение, как и диодный мост. При этом, создавая самодельный электроискровой станок, следует учесть нижеприведенные моменты:
- на конденсаторе указываемое напряжение не должно быть менее 320 Вольт;
- количество накопителей энергии и их емкость выбираются с учетом того, что общая емкость должна составлять 1000 мкФ. Соединение всех конденсаторов должно проводится параллельно. Стоит учитывать, что мощность самодельного варианта исполнения увеличивается в случае необходимости получения более сильного искрового удара;
- лампу устанавливают в фарфоровый патрон. Следует защитить лампу от падения, устанавливается автомат защиты с силой токи от 2 до 6 Ампер;
- автомат используется для включения цепи;
- электроды должны иметь прочные зажимы;
- для минусового провода используется винтовой зажим;
- Плюсовой провод имеет зажим с медного электрода и штатив для направления.
Самодельный проволочный вариант исполнения имеет относительно небольшие габаритные размеры.
Основные элементы схемы электроискрового оборудования
Схема представлена нижеприведенными элементами:
- электрод;
- винт зажима, используемый для фиксации плюсового провода и электрода;
- втулка для направления;
- корпус, изготавливаемый из фторопласта;
- отверстие, используемое для подачи масла;
- штатив.
Корпус, который используется для соединения всех элементов, вытачивается их фторопласта. В качестве втулки используется заземляющий штырь, в котором вдоль оси вытачивается отверстие с резьбой для крепления электрода. Все элементы конструкции крепятся на штатив, который изготавливается с возможностью изменения высоты. Также создается отверстие, через которое подается масло.
Зачастую резка проводится при использовании устройства, которое питается от пускателя с катушкой, подключаемой к напряжению 220В. Шток пускателя может иметь ход 10 миллиметров. Обмотку пускателя подключают параллельно лампе. Именно поэтому на момент зарядки конденсаторов лампа горит, а после завершения этого процесса – она гаснет. После того, как шток был опущен, происходит искровой заряд.