Эвакуация продуктов разрушения материала из МЭП

Производительность (11,8 мм³/мин) и линейный износ (53,5%) при обработке медным ЭИ приняты за единицу.

Для чистовой обработки, осуществляемой на электроискровом режиме, используют инструменты из обычной или пористой меди, латуни. Медь должна быть без примесей, так как даже минимальные включения других элементов резко снижают элетроэрозионные свойства, повышают износ. Для черновых операций, выполняемых на электроимпульсном режиме, в качестве материала электрода-инструмента применяют графитовые и медно-графитовые компазиции. Алюминий, цинковые сплавы. Графитовые сплавы стремятся выбрать мелкозернистой структуры – они обладают повышенной механической прочностью. Из таких материалов можно изготавливать инструменты с острыми углами и тонкими перемычками, эффективных на чистовых операциях. К недостаткам можно отнести повышенную стоимость по сравнению с материалами с более крупными зернами и более низкую производительность процесса. Для чистовых операций применяют дешевые и стойкие графитовые материалы с укрупненным зерном [7].

Электропроводность рабочих жидкостей, применяемых для ЭЭО, лежит в пределах от 10^-18 Ом^-1×см^-1 (керосин) до 2,8×10^-4 Ом^-1×см^-1 (техническая вода). Ее величина существенно влияет на величину межэлектродного зазора. С увеличением электропроводности величина пробивного зазора растет. Так, величина зазора при обработке в воде на 25—60% выше, чем в керосине.

Кроме рабочей подачи, для стабилизации процесса обработки электродам часто сообщаются дополнительные движения: вращение или осцилляция, которые способствует интенсификации удаления продуктов эрозии. Кроме того, при прошивочных операциях дополнительная вибрация электродов создает условия для развития импульсных разрядов с определенным распределением по величине энергии.

Материал электрода-инструмента заметно влияет на величину эрозии. Так, при прошивке щелей 1x10 мм глубиной 3 мм в жаропрочных сплавах с использованием RC генератора (U = 220 В, I_кз = 4 А, С = 10 мкФ) получены результаты, представленные в табл. 1.

Износ электрода

Эрозия при малом  токе снимает мало материала заготовки, тогда как большой ток позволяет  добиться больших скоростей снятия материала.

Однако и износ инструмента  возрастает, особенно при обработке  стали медными электродами. Графитовые электроды ведут себя иначе - износ  до определенного момента растет, затем более или менее стабилизируется.

Короткие импульсы также  приводят к ускоренному износу электрода. И наоборот, износ идет значительно медленней при длинных импульсах. На практике, при черновой обработке стали медным и графитовым инструментом оптимальная величина длительности импульса лежит на отрезке, на одном конце которого длительность импульса с максимальным съемом, а на другом - длительность импульса с минимальной интенсивностью износа инструмента.

Предполагается, что основным фактором, определяющим взаимосвязь материала ЭИ с величиной эрозии электрода-заготовки, является потенциал ионизации материала рабочего электрода. Наибольшее распространение при прошивочных операциях получили рабочие электроды из меди и графита.

Большое влияние на производительность процесса при ЭЭО оказывает площадь обработки. Снятие элементарного слоя, равного глубине единичной лунки, со всей обрабатываемой поверхности осуществляется путем миграции единичного разряда по этой поверхности. Поэтому увеличение площади обработки снижает линейную скорость прошивки. Так, при прошивке небольших отверстий (площадью в несколько квадратных миллиметров) линейная скорость может достигать 3—4 мм/мин, а при больших площадях обработки снижается до 10^-5—10^-6 мм/мин. Отсюда следует, что при изготовлении поверхностей с изменяющейся площадью обработки необходимо корректировать настройку регулятора подачи или осуществлять изменение подачи по определенной программе.

Кроме того, при ЭЭО для определенных величин площадей существуют вполне определенные режимы обработки, при которых достигается максимальная производительность. Отклонение параметров импульсов оптимальных величин приводит к резкому снижению производительности процесса. Это связано с тем, что на процесс эрозии при массовом действии импульсов, оказывают влияние газогидродинамические процессы в межэлектродном промежутке. В реальных условиях в межэлектродном пространстве, часть его заполнена парогазовыми пузырями, которые перемещаются и перемещают рабочую жидкость с взвешенными в ней продуктами эрозии под действием вновь возникающих разрядов. Оптимальное соотношение парогазовой зоны и зоны заполненной рабочей жидкостью в промежутке и определяет производительность обработки при определенных параметрах режима.

Электрическая прочность парогазовой области значительно выше, чем прочность жидкой рабочей среды, поэтому большая часть каналов разрядов между электродами образуется на участках, заполненных жидкой средой. Увеличение энергии импульсов и частоты их следования может привести к тому, что межэлектродный промежуток полностью заполнится парогазовой средой, что приводит к уменьшению величины зазора и возникновению коротких замыканий. Поэтому при обработке глубоких полостей большой площади необходимо производить принудительную прокачку рабочей жидкости через межэлектродный промежуток. В электродах-инструментах для такой обработки необходимо предусматривать конструктивные элементы, способствующие уменьшению трасс эвакуации продуктов эрозии и парогазовых пузырей.

Аналитические зависимости, описывающие взаимосвязи управляемых параметров режима с технологическими характеристиками ЭЭО получены лишь для отдельных частных случаев. Качественно такие взаимосвязи можно проследить используя разработанную в ЭНИМС на основе многочисленных экспериментальных данных обобщенную схему, представленную на рис. 2.

Рисунок 2 Сводные данные о влиянии элетрических и гидравлических параметров на технологические характеристики ЭЭО

3. Производительность ЭЭО

Для сравнительной оценки производительности при ЭЭО используются значения объемной Q, мм³/мин и линейной Q, мм/мин скорости обработки. Последнюю в ряде случаев отожествляют с подачей инструмента и используют для целей нормирования операций. В операциях электроэрозионной вырезки и отрезки для оценки производительности часто используют скорость образования новой поверхности Q_n, мм²/мин.

В общем случае при анализе производительности ЭЭО целесообразно использовать кинетическую модель. Как следует из этой модели, скорость съема материала Q может быть представлена выражением

Q = f{V_фп,V_эм,V_эпо}, (4)

где V_фп, V_эм, V_эпо — соответственно скорость разрушения материала вследствие фазовых переходов, скорость эвакуации материала из поверхностного слоя заготовки в МЭП и скорость эвакуации продуктов обработки из МЭП в объем рабочей жидкости. Таким образом, для увеличения производительности процесса электроэрозионной обработки необходимо увеличивать скорости разрушения обрабатываемого материала в результате обработки и скорость выноса продуктов эрозии в процессе обработки.

В соответствии с кинетической моделью производительности скорость съема материала определяется самой медленной из рассматриваемых стадий разрушения и переноса вещества заготовки. Из сказанного следует, что при определенных условиях функции лимитирующей стадии могут переходить от одной из них к другой. Такая картина наблюдается при анализе площади обработки и мощности, вводимой в зазор на производительность.

При малой площади обработки значительная часть МЭП перекрыта газовыми пузырями от предшествующих разрядов, так как время существования газового пузыря в 5—10 раз больше, чем длительность импульса. Поэтому, как уже упоминалось ранее, часть импульсов генератора не вызывает эрозии, следовательно, производительность невысока.

Если увеличивать площадь обрабатываемой поверхности, то при прочих равных условиях скорость съема металла до определенного момента будет возрастать, но в дальнейшем произойдет ее снижение. Это объясняется удлинением трассы эвакуации и ухудшением условий удаления продуктов обработки из межэлектродного промежутка. Все большее число импульсов генератора не будет вызывать эрозии из-за накопления газов и металлических частиц в пространстве между электродами. Функции лимитирующей стадии переходят к стадии вывода продуктов обработки из МЭП.

Увеличение мощности энергопотока при постоянной площади обработки приводит к аналогичному результату. Действительно, количество продуктов обработки, генерируемых в МЭП, зависит от мощности, реализуемой в межэлектродном промежутке. При малой мощности количество расплавленного металла невелико, с ростом подводимой мощности оно возрастает, но при этом увеличивается и количество продуктов обработки, которые необходимо вывести из МЭП. Из сказанного следует необходимость правильного выбора сочетания площади обрабатываемой поверхности и мощности. Такой выбор выполняют с помощью пространственных диаграмм в координатах «сила тока — площадь обработки — производительность», прилагаемых в руководствах к станкам (рис 3).

Данные о влиянии значения длительности импульса и материала электрода-инструмента на производительность приведены на рис. 4.

 

Рисунок 3  Пространственная диаграмма зависимости параметров; средняя сила тока – I_ср; площадь – S; производительность – Q (при ЭЭО с f=400Гц)

а                                                            б

Рисунок 4  Зависимость производительности  Q от длительности импульса

: а -  ЭИ из меди (1 – I_ср=42 А, 2 – I_ср=21 А, 3 – I_ср=7 А, 4 – I_ср=3,5 А);

б -  ЭИ из графита (1 – I_ср=42 А, 2 – I_ср=21 А, 3 – I_ср=7 А, 4 – I_ср=3,5 А).

Для повышения производительности широко применяют многоконтурную и многоэлектродную обработку для изготовления одной или нескольких деталей. При оценке производительности в случае применения таких схем обработки необходимо учитывать взаимное влияние контуров, которое проявляется через вероятность стабильной работы станка и увеличение площади обработки при многоэлектродной обработке .

 

4. Качество поверхностного слоя после ЭЭО

Показатели качества поверхностного слоя, формируемые при ЭЭО, определяются механизмом съема материала. Как говорилось ранее, в основе такого механизма лежит воздействие интенсивных тепловых потоков на поверхность заготовки, приводящее к нагреву приповерхностной области до высоких температур и структурно-фазовым изменениям в этой области. Снимаемый припуск формируется в результате суперпозиции единичных лунок, что обуславливает специфический микрорельеф поверхности обработанных изделий [саушкин, немилов].

Доказано, что свойства поверхностного слоя существенно изменяются в результате ЭЭО: в нем появляются зоны, материал в которых находится в различных структурно-фазовых состояниях. Перечень таких зон не определен: в одних работах поверхностный слой делят на белый слой и зону термического влияния, в других — в нем выделяют несколько зон с различной структурой, в третьих— отмечают, что он состоит из оплавленного слоя, зоны подвергшейся химическому воздействию, зон микро-и макродеформаций. При определенных условиях наблюдается покрытие заготовки тонким слоем материала электрода инструмента и продуктами разложения рабочей жидкости, в частности углеродом. В общем случае можно говорить об условном разделении поверхностного слоя на следующие зоны:

• зона насыщения элементами рабочей жидкости;
• зона отложения материала электрода;

—так называемый белый слой, образованный при застывании расплавленного материала заготовки;

• зона термического влияния;
• зона пластической деформации.

Между выделенными зонами, как правило, нет четкой границы, и в большинстве случаев они перекрывают друг друга.

Из сказанного следует, что при ЭЭО формируется поверхностный слой глубиной h_т с измененными по отношению к сердцевине материала свойствами. Поверхность этого слоя характеризуется специфическим микрорельефом, в нем образуются остаточные напряжения, распределенные определенным образом по глубине, изменяются микротвердость и структурно фазовый состав материала. Свойства этого слоя сильно зависят от параметров режима обработки, как это следует из данных табл. 2.

Т а б л и ц а 2

Влияние режима ЭЭО на показатели качества поверхностного слоя при обработке стали 45

Наименование режима	Производительность, мм3/мин	Rz, мкм	Глубина измененного слоя, мм	Уровень остаточных напряжений
Жесткий (черновой)	2-I02—3-104	40—320	0,2—0,3	Высокий
Средний (по-лучистовой)	30—200	10—40	0,1—0,2	Средний
Мягкий (чистовой)	Менее 30	1,25—10	0,05—0,1	Низкий

 

Рассмотрим подробнее формирование показателей качества поверхностного слоя при ЭЭО и влияние на них параметров режима.

Шероховатость поверхности представляет собой результат наложения друг на друга эрозионных лунок, возникающих под действием единичных разрядов.

Влияние обрабатываемого материала на шероховатость поверхности проявляется следующим образом: чем выше электроэрозионная обрабатываемость, тем большую высоту микронеровностей при прочих равных условиях имеет обработанная поверхность.

Т а б л и ц а 4

Зависимость шероховатости поверхности от параметров режима обработки

F, кГц	Iср, А	W, Дж	Rz, Ra мкм
	10	0,6	Rz = 100—160
0,4	50	3,3	Rz = 200—320
	300	20,5	Rz < 320
	2	0,009	Ra= 10—20
7	10	0,038	Ra = 10—20
	30	0,098	Ra = 40
	2	0,0028	Ra = 2,5—20
25	10	0,011	Rа=20
	20	0,024	Ra=20