ЭЛЕКТРОФИЗИЧЕСКИЕ (Что-то вроде лекций или метод), страница 3

В результате процессов, происходящих при электрохимической обработке, обычно выпадает осадок, поэтому необходимо не только поддерживать требуемую концентрацию и чистоту электролита, но и удалять нерастворимые продукты процесса. Многими моделями станков управляют системы ЧПУ. В процессе обработки система ЧПУ задает и контролирует величины напряжения и тока, постоянство рабочего зазора, скорость подачи электрода-инструмента, скорость потока и концентрацию электролита. Соблюдение этих параметров режима обеспечивает высокую точность и производительность обработки заготовок. На модернизированных электрохимических или электроэрозионных станках осуществляют комбинированную обработку заготовок элект-роэрозионно-химическим способом. Этот процесс обработки, основанный на сочетании анодного растворения и эрозионного разрушения металла, более производителен, чем электрохимический, но уступает по точности и шероховатости обработанной поверхности. Скорость обработки до 50 мм/мин; точность 0,2... 0,4мм; шероховатость Ra 10...20 мкм.

Применяемые для размерной электрохимической обработки источники тока (машинные генераторы, выпрямители и т.д.) должны иметь напряжение 10...20 В и обеспечивать плотность тока 0,6... 1 МА/м², в зависимости от которых подбирают мощность источников.

Инструмент для такой обработки изготавливают из сплавов свинца с сурьмой, из меди, латуни, олова, чугуна, нержавеющей стали, меднографитовых композиций и т.д.

Изоляцию катода в тех местах, где не должна проходить обработка, осуществляют эбонитом, капроном, пластмассами, плексигласом и т.д.

Основные преимущества рассматриваемого метода — это высокая производительность, точность и требуемый микрорельеф поверхности. Например, скорость углубления инструмента для электрохимической обработки соизмерима со скоростью механического сверления и достигает 10... 12 мм/мин в материалах высокой твердости, поэтому электрохимический способ особенно эффективен при обработке материалов с твердостью выше НВ 40 (рис. 4.7). Это позволяет обрабатывать высокопрочные сплавы, карбидные материалы и т.д. При электрохимической обработке можно обеспечить точность линейных размеров до ± 0,025 мм и шероховатость поверхности /to0,16... 0,32 мкм. При этой обработке практически отсутствует давление инструмента на заготовку и не выделяется теплота, поэтому можно обрабатывать тонкостенные заготовки, не опасаясь коробления, и получать поверхности, свободные от трещин и штрихов обработки.

Рис. 4.7. Сравнение методов механической обработки и

электрохимической обработки:

1 — механический способ;

2 — электрохимический способ

4.5. ЭЛЕКТРОЭРОЗИОННАЯ ОБРАБОТКА МЕТАЛЛОВ

Электрической эрозией называют процесс разрушения поверхностей электродов при пробое межэлектродного промежутка электроискровыми разрядами. Процесс электроэрозии открыт в 1943 г. Б. Р. Лазаренко и Н. И. Лазаренко.

Разрушение при этом процессе носит электротермический характер, так как при этом происходит нагревание, расплавление и частичное испарение металла с поверхностей электродов, в результате чего на поверхности металла остаются углубления, называемые лунками.

На рис. 4.8, а показана схема образования лунки. Когда на катод и анод подают напряжение постоянного тока, то около катода образуется облако положительных ионов, которое создает около него напряженность поля порядка 10 В/м. Такой напряженности достаточно, чтобы вырывать из катода электроны даже при низкой температуре и чтобы произошел электроискровой разряд. При разряде за время t_p = 10^-5... 10^-8 с мгновенная плотность тока в канале разряда достигает 8000... 10000 МА/м². Температура в канале разряда возрастает до 30 000... 40 000 °С. Между электродами образуются электронные и ионные лавины, которые и разрушают поверхности электродов. В результате ударов частиц, обладающих высокой энергией, о поверхность электродов, температура на поверхности обрабатываемой заготовки достигает 8 000... 10 000°С. При таких температурах плавятся и испаряются все известные металлы.

Эрозионная лунка при электроэрозионной обработке (ЭЭО) образуется под действием различных сил, возникающих в разные периоды процесса. В момент действия импульса тока удаление металла (до 30 % всего объема) проходит под влиянием электродинамических сил, а после прекращения действия импульса тока удалению металла способствуют возникающие в этот момент электростатические силы. На заключительных стадиях эрозионного цикла металл из лунки эвакуируется за счет действия газов, вырывающихся из нагретой до температуры 8 000... 10000°С поверхности металла. Окончательное формирование лунки происходит при захлопывании кавитационного пузыря (максимальное давление на границе которого достигает 30 МПа) и действии сил сжатия от волны термических напряжений, направленных к центру эрозионной лунки.

Рис. 4.8. Принципиальные схемы методов обработки

а — схема последовательности возникновения разряда и образования лунки; б — схемы генераторов импульсов: / — для электроискрового метода; // и /// — для электроимпульсного метода; IV — для высокочастотного электроэрозионного метода; в — размещение электродов в процессе обработки; / — электрод-инструмент; 2— межэлектродный зазор; 3— электрод-заготовка; 4— рабочая жидкость; 5 — ванна; 6 — разряд между наиболее близкими участками поверхности; 7 — расплавление металла и его выброс; (У—лунка, оставшаяся на поверхности; МГИ — машинный генератор импульсов

Полярность тока — прямая, когда инструмент является катодом, а заготовка — анодом (обратная полярность — когда наоборот). Полярность выбирают таким образом, чтобы наибольшая электрическая эрозия возникала на поверхности обрабатываемой заготовки.

Использование униполярных (однополярных) импульсов позволяет осуществить процесс избирательной эрозии, т.е. резко ослабить эрозию одного из электродов. Если электроды изготовлены из одного материала, то при импульсах малой и средней продолжительности преобладает эрозия анода, при импульсах большей длительности преобладает эрозия катода.

Превышение эрозии одного электрода над другим называется полярным эффектом. Предполагают, что полярный эффект обусловлен неравномерностью выделения теплоты на электродах.

Степень эрозии, %, катода по сравнению с эрозией анода определяется по формуле

100,

где V_к — интенсивность эрозии катода; Vэ — интенсивность эрозии анода.

Полярность электрической эрозии считается положительной при ΔV_К < 100%, отрицательной при ΔV_К > 100%.

Так как электрическая эрозия проявляется наиболее интенсивно, если межэлектродное пространство заполнено диэлектрической средой, то процесс ЭЭО проводят в ванне 5, заполненной какой-либо жидкостью 4 (рис. 4.8, в): жидкими углеводами (керосином, минеральными маслами), водными растворами электролитов и дистиллированной водой.

Удаленный в результате разрядов металл застывает в диэлектрической жидкости в виде гранул сферической формы диаметром 0,005...0,01 мм, а электрическая прочность межэлектродного промежутка восстанавливается вследствие его деионизации. Следующий импульс тока может пробить промежуток в новом месте, где межэлектродное расстояние окажется меньше.

Последовательное действие разрядов, вызывающих электрическую эрозию, приводит к образованию в заготовке выемки, представляющей собой как бы отпечаток электрода-инструмента. Зазор между электродами вследствие эрозионного разрушения металла постоянно увеличивается. Если его величина превысит расстояние, при котором возможно возникновение пробоя (0,01... 0,05 мм) при заданном напряжении импульса тока, то для продолжения процесса необходимо либо повысить напряжение, либо сблизить электроды, что обычно и делают за счет подачи электрода-инструмента.

Важной характеристикой ЭЭО является скважность импульса тока

q = τ₀/τ_И

где τ₀ — период следования импульсов, с; τ_И — длительность импульса, с.

При ЭЭО используют импульсы одной полярности (униполярные), но различной формы (рис. 4.9): прямоугольной, трапецеидальной, гребенчатой с поджигом τ_пж.

Рис. 4.9. Формы импульсов при электроэрозионной обработке:

а — прямоугольная; б — трапецеидальная; в — гребенчатая с поджигом; U_np — напряжение пробоя; τ₀ — период следования импульсов; τ₀ — длительность импульса; τ_И — время поджига; I_кз— ток короткого замыкания; U — напряжение питания; t — время обработки

Для ЭЭО выпускают специальные станки, можно модернизировать для этой цели сверлильные станки.

Электроэрозионную обработку проводят с применением различных генераторов: RС-генераторов импульсов (электроискровая обработка), электромашинных генераторов импульсов (электроимпульсная обработка), ВЧ-генераторов импульсов (высокочастотная электроискровая обработка).

Электроискровая обработка. На схемах (см. рис. 4.8, б, в) источник / униполярных импульсов постоянного тока периодически возбуждает кратковременные разряды между электродом-инструментом / и электродом-заготовкой 3.

Энергия источника тока через сопротивление R заряжает конденсатор С до некоторого напряжения, равного напряжению пробоя межэлектродного промежутка, и между электродами возникает электроискровой разряд. Происходит быстрое выделение энергии, накопленной конденсатором.

Источником питания обычно служат генераторы постоянного тока напряжением 30...220 В, создающие силу тока зарядного контура в пределах 1...5 А. Сила тока в разрядном контуре достигает при этом 100 А и более.

Чтобы межэлектродное расстояние (или разрядный промежуток) поддерживать при обработке постоянным, станки снабжают регуляторами, автоматически меняющими положение одного из электродов и регулирующими подачу.

Продолжительность интервалов между импульсами должна обеспечивать деионизацию межэлектродного промежутка и удаление из него продуктов эрозии и газовых пузырьков, препятствующих повторению процесса разряда. Поэтому частота повторения импульсов при увеличении их энергии снижается.

Производительность электроэрозионной обработки определяется количеством металла, снятого с обрабатываемого изделия в единицу времени, и измеряется в мм³/мин или сН/мин. Производительность

Q= CP; Р = Af,

где С — коэффициент, зависящий от теплофизических свойств материала; Р — мощность, Вт; А — энергия импульсов, Вт с;/— частота, имп/с.

Производительность процесса зависит от того, с какой частотой следуют разряды и какое количество металла выброшено при каждом разряде. Максимальная производительность при обработке стали — 330 мм³/мин.

Большое влияние на производительность оказывает материал электрода. Основное требование к нему — высокая эрозионная стойкость. Этим требованиям лучше всего отвечают латунь ЛС63, красная медь и меднографитовая композиция. Форма электрода должна полностью соответствовать форме прошиваемого отверстия, но иметь несколько меньшие размеры. Величина зазора, образование которого происходит из-за возникновения разрядов между электродом и боковой стенкой прошиваемого отверстия, колеблется в пределах 0,02...0,25 мм в зависимости от режима, материалов электрода и обрабатываемой заготовки.

Шероховатость получаемой поверхности, точность и производительность зависят от режимов обработки, которые делят на четыре группы (табл. 4.2 и 4.3): жесткий, средний, мягкий, особо мягкий.