124714 (Физические основы электроэрозионной обработки материалов)

Курсовая работа

Тема: «Физические основы электроэрозионной обработки материалов»

Введение

Высокоэффективные электрофизические методы разработаны для облегчения обработки резанием некоторых конструкционных материалов. К труднообрабатываемым материалам относятся: высоколегированные стали аустенитного класса, жаро- и кислотностойкие, специальные никелеферритные никелевые стали, тугоплавкие сплавы, композиционные материалы, неметаллические материалы.

Фундаментальные исследования в области защиты металлов от различных повреждений привели к разработке ряда технологий – нанесение двухслойных металлокерамических покрытий, механоультрозвуковая, химико-термическая обработка, на конец электроэрозионная. Все это привело к существенному улучшению свойств материалов.

Технический прогресс в народном хозяйстве и развитие ряда современных отраслей техники требует создания не только новых конструкционных материалов (высокопрочных, корозионно-стойких, износоустойчивых и др), но и принципиально новых методов их обработки

Цель курсовой работы – выявить в чем преимущества электроэрозионной обработки от других видов обработок, так же понять ее принцип и узнать о разновидностях (ЭЭО).

1. История возникновения электрических методов обработки

Еще в конце 18в. английским ученым Дж. Пристли было описано явление эрозии металлов под действием электрического тока. Было замечено, что при разрыве электрической цепи в месте разрыва возникает искра или более продолжительная электрическая дуга. Причем искра или дуга оказывает сильное разрушительное воздействие на контакты разрываемой цепи, называемое эрозией. Электрической эрозии подвержены контакты реле, выключателей, рубильников и других подобных устройств. Много исследований было посвящено устранению или хотя бы уменьшению такого разрушения контактов.

Над этой проблемой в годы Великой Отечественной Войны работали советские ученые Б.Р. Лазаренко и Н.И. Лазаренко. Поместив, электроды в жидкий диэлектрик и размыкая электрическую цепь, ученые заметили, что жидкость мутнела уже после первых разрядов между контактами. Они установили: это происходит потому, что в жидкости появляются мельчайшие металлические шарики, которые возникают вследствие электрической эрозии электродов. Ученые решили усилить эффект разрушения и попробовали применить электрические разряды для равномерного удаления металла. С этой целью они поместили электроды (инструмент и заготовку) в жидкий диэлектрик, который охлаждал расплавленные частицы металла и не позволял им оседать на противолежащий электрод. В качестве генератора импульсов использовалась батарея конденсаторов, заряжаемых от источника постоянного тока; время зарядки конденсаторов регулировали реостатом. Так появилась первая в мире электроэрозионная установка. Электрод-инструмент перемещали к заготовке. По мере их сближения возрастала напряженность поля в межэлектродном промежутке (МЭП). При достижении определенной напряженности поля на участке с минимальным расстоянием между поверхностями электродов, измеряемым по перпендикуляру к обрабатываемой поверхности и называемым минимальным межэлектродным зазором, возникал электрический разряд (протекал импульс) тока, под действием которого происходило разрушение участка заготовки. Продукты обработки попадали в диэлектрическую жидкость, где охлаждались, не достигая электрода-инструмента, и затем осаждались на дно ванны. Через некоторое время электрод-инструмент прошил пластину, Причем контур отверстия точно соответствовал профилю инструмента.

Так, явление, считавшееся вредным, было применено для размерной обработки материалов. Изобретение электроэрозионной обработки (ЭЭО) имело выдающееся значение. К традиционным способам формообразования (резанию, литью, обработки давлением) прибавился совершенно новый, в котором непосредственно использовались электрические процессы. [1]

Первоначально для осуществления ЭЭО применялись исключительно искровые разряды, создаваемые конденсатором в так называемом RC‑генераторе. Поэтому новый процесс в то время называли электроискровой обработкой. [2]

В начале 50‑х годов были разработаны специальные генераторы импульсов, благодаря которым обработку можно было проводить также на более продолжительных

- искро-дуговых и дуговых разрядах. Процесс в новых условиях стали назвать электроимпульсной обработкой.

Поскольку для формообразования во всех случаях применяют одно и то же явление

- электрическую эрозию, в настоящее время используют определения электроискровой режим (ЭЭО) и электроимпульсный режим (ЭЭО).

2. Общая характеристика процесс электроэрозионной обработки

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

1. Заготовку фиксируют и жестко крепят на столе станка или в приспособлении. Тяжелые установки (весом выше 100 кг) устанавливают без крепления. Устанавливают и крепят в электродержателе электрода-инструмента (Э-И). Положение ЭИ относительно обрабатываемой заготовки выверяют по установочным рискам с помощью микроскопа или по базовым штифтам. Затем ванну стакана поднимают и заполняют рабочей жидкостью (РЖ) выше поверхности обрабатываемой заготовки.

2. Устанавливают требуемый электрический режим обработки на генераторе импульсов, настраивают глубинометр и регулятор подачи. В случае необходимости включают вибратор и подкачку РЖ.

3. В целях повышения производительности и обеспечения заданной шероховатости поверхности обработку производят в три перехода: предварительный режим – черновым (Э-И) и окончательный – чистовым и доводочным. [1]

2.1 Сущность электроэрозионной обработки

Разрушение поверхностных слоев материала под влиянием внешнего воздействия электрических разрядов называется электрической эрозией. Электроэрозионная обработка заключается в изменении формы, размеров, шероховатости и свойств поверхности заготовки под воздействием электрических разрядов в результате электрической эрозии.

На явлении эрозии основан принцип электроэрозионной обработки (ЭЭО). При электроэрозионной обработке используют явление эрозии (разрушения) электродов из токопроводящих материалов при пропускании между ними импульсов электрического тока. Заготовку и инструмент, изготовленные из токопроводящих материалов, подключают к источнику тока – генератору импульсов (ГИ) и помещают в диэлектрическую жидкость.

При сближении электрода – инструмента (ЭИ) и электрода – заготовки (ЭЗ) на расстояние в несколько микрометров (10…50 мкм) между микровыступами на Э-И и Э-З возникает Электрический разряд и образуется канал проводимости, в котором от катода к аноду движется поток электронов.

К этому потоку движутся более тяжелые частицы – ионы. Электроны быстрее достигают поверхности анода. Поэтому энергия электрического разряда смещается ближе к поверхности заготовки (ЭЗ). Температура электрического разряда достигает 10000…12000 ºC. При такой температуре происходят мгновенное оплавление и частичное испарение элементарного объема материала заготовки. При этом время протекания разряда чрезвычайно мало. Поэтому процесс выделения энергии сопровождается явлением микровзрыва. За счет этого оплавившиеся частицы металла выбрасываются в окружающую среду, охлаждаются диэлектрической жидкостью и застывают в виде малых шариков (0,01…0,005 мм), образуя шлам – продукт эрозии. В результате на поверхности анода образуется сферическое углубление – лунка. Поверхность катода также подвергается частичному эрозионному разрушению. [8]

Следующий разряд произойдет в том месте, где расстояние между инструментом и заготовкой окажется минимальным. Так образуется вторая лунка на поверхности заготовки. При воздействии серии электрических импульсов с анода удаляется слой материала. Непрерывность процесса обеспечивается за счет подачи ЭИ. Постоянство межэлектродного зазора обеспечивается автоматически с помощью следящих систем.

Обработанная поверхность представляет собой совокупность лунок, глубина которых определяет шероховатость поверхности. [6]

Помимо шероховатости обработанная поверхность характеризуется следующими показателями:

– вследствие мгновенного нагрева поверхности заготовки до температуры плавления металла и резкого охлаждения в среде диэлектрической жидкости возникают температурные напряжения, приводящие к возникновению микротрещин;

– за счет нагрева до высоких температур и возможного поглощения углерода из окружающей среды в поверхностном слое происходят структурные изменения и, с учетом быстрого охлаждения, твердость поверхностного слоя значительно повышается по сравнению с твердостью основного материала стальной заготовки;

– под действием высокой температуры в зоне оплавления основной материал вступает в химическую реакцию с отдельными элементами материалов электрода – инструмента и диэлектрической жидкости, что ведет к изменению химического состава поверхностного слоя.

При малой длительности импульсов (5…200 мкс) поверхности катода успевает достичь лишь малая доля ионов. Поэтому поверхность катода значительно меньше подвергается эрозионному разрушению по сравнению с поверхностью анода. Именно поэтому анодом делают заготовку (ЭЗ), а катодом – инструмент (ЭЗ). Такую полярность называют прямой. При большей длительности импульсов многие ионы успевают достичь поверхности катода, и, обладая большей энергией по сравнению с потоком электронов, вызывают интенсивную эрозию катода. В этом случае обработку осуществляют при обратной полярности: ЭИ является анодом, а ЭЗ – катодом. [7]

2.2 Рабочая среда

Рабочие жидкости (РЖ) должны удовлетворять следующим требованиям:

– обеспечение высоких технологических показателей ЭЭО;

– термическая стабильность физико-химических свойств при воздействии электрических разрядов с параметрами, соответствующими применяемым при электроэрозионной обработке;

– низкая коррозионная активность к материалам ЭИ и обрабатываемой заготовки;

– высокая температура вспышки и низкая испаряемость;

– хорошая фильтруемость;

– отсутствие запаха и низкая токсичность.

При электроэрозионной обработке применение получили низкомолекулярные углеводородистые жидкости различной вязкости; вода и в незначительной степени кремнийорганические жидкости, а также водные растворы двухатомных спиртов.

Для каждого вида ЭЭО применяют рабочие жидкости, обеспечивающие оптимальный режим обработки. На черновых режимах рекомендуется применять рабочие жидкости с вязкостью (смесь керосин-масло индустриальное), а на чистовых (керосин, сырье углеводородное).

Влияние на производительность свойств рабочей среды. В зависимости от свойств рабочей среды изменяются доля полезного использования энергии импульса, его предельная мощность. Для каждого вида обработки применяют оптимальные диэлектрические среды. Так, при электроэрозионном процессе с малой энергией импульсов высокую производительность обеспечивает дистиллированная и техническая вода, керосин; при грубых режимах на электроимпульсном режиме применяют тяжелые фракции нефти (масла, дизельные топлива и др.) с высокой температурой вспышки (до 450 К).

В процессе обработки жидкая рабочая среда загрязняется, из-за чего снижается производительность. Загрязненность оценивают в процентном отношении массы продуктов обработки к массе жидкости. При загрязненности 4..5 % для черновых и 2..3 % для чистовых процессов производительность остается практически одинаковой по сравнению с чистой средой. Дальнейшее возрастание содержания продуктов обработки, особенно на чистовых режимах приводит к снижению числа рабочих импульсов и производительности.

В процессе остывания частицы металла вызывают испарение части жидкости, изменение ее вязкости и зольности. Для поддержания высокой производительности необходимо периодически заменять рабочую среду.

Для повышения производительности на обрабатываемой площади может быть параллельно размещено несколько электродов-инструментов. Если они подключены к одному генератору импульсов, то такая обработка называется многоэлектродной. При подключении каждого электрода к своему источнику энергии обработку называют многоконтурной. [5]

2.3 Электроды-инструменты

Электроды-инструменты (ЭИ) должны обеспечивать стабильную работу во всем диапазоне рабочих режимов ЭЭО и максимальную производительность при малом износе. Электроды-инструменты должен быть достаточно жестким и противостоять различным условиям механической деформации (усилиям прокачки РЖ) и температурным деформациям.

На поверхности ЭИ не должно быть вмятин, трещин, царапин и расслоения.

Поверхность ЭИ должна иметь шероховатость.

При обработке углеродистых, инструментальных сталей и жаропрочных сплавов на никелевой основе используют графитовые и медные ЭИ. Для черновой ЭЭО заготовок из этих материалов применяются ЭИ из алюминиевых сплавов и чугуна, а при обработке отверстий – ЭИ из латуни. При обработке твердых сплавов и тугоплавких материалов на основе вольфрама, молибдена и ряда других материалов широко применяют ЭИ из композиционных материалов, так как при использовании графитовых ЭИ не обеспечивается высокая производительность из-за низкой стабильности электроэрозионного процесса, а ЭИ из меди имеют большой износ, достигающий десятка процентов, и высокую стоимость.

Износ ЭИ зависит от материала, из которого он изготовлен, от параметров рабочего импульса, свойств РЖ, площади обрабатываемой поверхности, а также от наличия вибрации.

На выбор материала и конструкции ЭИ существенное влияние оказывают материал заготовки, площадь обрабатываемой поверхности, сложность ее формы, требования к точности и серийности изделия.

Если увеличивать площадь обрабатываемой поверхности, то скорость съема материала металла будет возрастать, но в дальнейшем произойдет ее снижение. Это объясняется тем, что с течением времени ухудшаются условия удаления продуктов обработки из МЭП. Все большее число импульсов генератора не будет вызывать эрозии из-за накопления газов и металлических частиц в пространстве между электродами. Количество продуктов обработки зависит также от энергии импульсов, их числа и времени действия, т. е. от мощности, реализуемой в МЭП. При малой мощности количество расплавленного металла невелико, с ростом подводимой мощности оно возрастает, но при этом увеличивается и количество продуктов обработки, которые тормозят процесс съема металла. Для получения высокой производительности необходимо правильно выбрать сочетание площади обрабатываемой поверхности и мощности. Такой выбор выполняют с помощью пространственных диаграмм в координатах силы тока – площадь обработки – производительность. [4]

Влияние производительности глубины внедрения ЭИ. По мере углубления отверстия усложняется удаление продуктов обработки и поступление свежей жидкости в МЭП. Наличие большого количества электропроводных капель застывшего металла вызывает импульсы, энергия которых тратится на расплавление таких частиц. Для предотвращения таких (паразитных) импульсов используют принудительную прокачку жидкости через МЭП под давлением 100..200 кПа. Прокачку можно применять и при периодическом прекращении процесса в выведением ЭИ из заготовки; используют также вибрацию электродов, их вращение и др.

В процессе обработки форма и размеры электрода-инструмента нарушаются из-за износа. Износ на различных участках инструмента различен. Так, на участках инструмента, имеющих вогнутость, число разрядов меньше, следовательно, износ на них будет выражен слабее. Если учесть условия выноса продуктов обработки из промежутка, то различия в износе различных участков еще более возрастут. Чтобы снизить влияние износа электродов-инструментов на точность изготовления, а) изготовляют инструмент из материала, стойкого к эрозии, например из вольфрама, меднографита, коксографитовых композиций; б) используют так называемые безызносные схемы, при которых часть материала заготовки или из рабочей среды осаждают на инструменте, компенсируя тем самым его износ; в) заменяют изношенные участки инструмента путем продольного перемещения, или заменяют весь инструмент; г) производят правку и калибровку рабочей части инструмента. [5]