Процесс электроэрозионной обработки (ЭЭО)

Введение

ЭЭО успешно конкурирует с другими обрабатывающими процессами прежде всего там, где необходимо обрабатывать механически прочные материалы (твердые сплавы), а также при получении сложных фасонных поверхностей, глубоких пазов и внутренних острых углов. Метод электроэрозионного прошивания (ЭЭП) обладает высокоэффективной автоматической технологией, основанной на глубоком знании теории процесса и многолетней практике.

Для лучшего понимания процесса ЭЭП необходимо знание основных аспектов теории электроэрозионного съёма металла.

Известно, что с помощью перемещения электрода-инструмента (ЭИ), в геометрии и размерах которого содержится полная информация о детали, получается негативное отображение ЭИ в обрабатываемом электроде-детали (ЭД). Известно также, что каждый разряд между ЭИ и ЭД приводит к образованию локальных кратеров на их поверхностях i зоне обработки. Наложение большого числа таких кратеров формирует с помощью регулятора подачи геометрию зазора между обоими электродами.

ЭЭП является стохастическим процессом, т. к. условия для возникновения и развития каждого разряда зависят от предыдущих разрядов. Не существует математической модели процесса, т.к. для этого требуется полное описание нелинейных, вероятностных электродинамических, теплоэнергетических, гидродинамических и термохимических процессов, взаимосвязанных одним разрядом. Поэтому исследователями ЭЭО была разработана феноменологическая модель процесса, в которой главные ее аспекты рассмотрены отдельно. К ним принадлежат:

1. Процессы в одном разряде:

  • пробой и формирование канала разряда;
  • тепловые процессы на электродах и баланс энергии;
  • образование газового пузыря вокруг канала разряда;
  • термохимические процессы в рабочей жидкости.

2. Реальные процессы в зоне обработки при массовом воздействии разрядов.

Процессы в одном разряде

Пробой

Существуют различные теории пробоя зазора между электродами. По нашему мнению, теория ударной ионизации жидкости между токопроводящими частицами с последующим образованием токопроводящего разрядного канала наиболее употребима. Эта теория объясняет, почему в чистом диэлектрике нет процесса (короткие замыкания) и почему величина зазора между электродами сильно зависит от концентрации загрязнений в рабочей зоне.

На черновых и получистовых режимах обработки, если концентрация загрязнений чрезмерно велика, вероятность коротких замыканий через эти загрязнения значительна. Для стабилизации процесса на этих режимах необходимо, чтобы мощность генератора в начале разряда была достаточна для разрушения токопроводящих продуктов эрозии и образования нормального канала разряда.

Канал разряда

После пробоя зазора между электродами образуется канал разряда, диаметр которого в первые микросекунды быстро растет. Далее, при более длительных разрядах скорость расширения канала снижается. Эти скорости, при прочих равных условиях, зависят от состояния диэлектрика (температура, концентрация загрязнений и т.д.).

В разрядном канале образуется плазма, состоящая из электронов и ионов. После пробоя, в начале разряда электроны обладают более высокой кинетической энергией и температурой, чем ионы. При достаточно длительных разрядах температура электронов и ионов выравнивается, и плазма разрядного канала становится изотермической.

Падение напряжения на канале разряда практически пропорционально длине канала. Увеличение диаметра канала во времени зависит от длительности и мощности разряда, а также от вышеуказанного состояния рабочей жидкости.

Баланс энергии

Известно, что энергия и мощность разряда распределяются между электродами - катодом и анодом, а также каналом разряда. К электродам энергия подводится посредством:

1) «бомбардировки» электронами и ионами;

2) термической «бомбардировки» горячими частицами из разрядного канала;

3) теплового излучения,

4) объёмных источников тепла.

Расчеты показывают, что основная доля энергии, поступающей к электродам, определяется электронами и ионами (см. п. 1). Распределение энергии между анодом и катодом при прочих равных условиях зависит от длительности разряда. Если время разряда меньше 10 мкс, то основная часть энергии передается аноду посредством «бомбардировки» анода «быстрыми» электронами. Если время разряда 100-1000мкс, тогда:

  • большая часть энергии передается катоду «медленными» ионами;
  • уменьшается падение напряжения на аноде, которое приблизительно пропорционально плотности тока, снижаемой при увеличении диаметра канала разряда.

Поэтому в случае достаточно длительных разрядов съём металла с катода превышает съём металла с анода. Мощности, выделяемые на аноде и катоде, можно представить в виде тепловой энергии. Плотность тепловой энергии, как и плотность тока, зависит от длительности и мощности разряда. Тепловая энергия, образуемая в канале разряда, расходуется на испарение диэлектрика (рабочей жидкости) и световое излучение.

Тепловые процессы во время разряда

Благодаря использованию классической теплофизики были установлены следующие феномены:

  • если время разряда меньше 10 мкс, то плотность тепловой энергии в зоне контакта канала разряда и электродов достигает десятков миллионов ватт на квадратный сантиметр. В этом случае материалы электродов испаряются практически мгновенно независимо от их теплофизических констант. В тело электродов при этом поступает очень мало тепловой энергии, поэтому в случае использования коротких импульсов термически изменённый слой после ЭЭО практически отсутствует;
  • если время импульса лежит в диапазоне от 100 до 1000 мкс, плотность тепловой энергии снижается на порядки. Основная часть металла из разрядного кратера удаляется не в газообразном, а в расплавленном виде. При этом значительная часть тепловой энергии уходит в тело электродов, что приводит к образованию термически измененного слоя глубиной до 0,01-0,2 мм.

На относительно длительных разрядах становится возможным использовать различия в теплофизических константах между материалами электродов для резкого снижения

износа ЭИ. Например, температура сублимации графита около 3500 град. С, медь имеет удельную теплопроводность, в несколько раз превышающую теплопроводность графита и стали. Вольфрам имеет относительно высокую теплопроводность и температуру плавления 3367 град. С. Поэтому указанные материалы широко применяются в качестве ЭИ.

Точной модели ЭЭО, как указывалось выше, не существует. Однако, известные модели тепловых процессов в электродах позволяют приблизительно рассчитать шероховатость поверхности и глубину измененной зоны после обработки. Исходя из этих моделей, можно примерно определить съём металла и износ ЭИ.

Динамика газового пузыря вокруг канала разряда

В начале разряда канал сжат, поскольку рабочая жидкость, в которой он развивается, практически несжимаема. Поэтому в момент начала разряда образуется «ударная волна» с давлением на фронте, зависящем от скорости нарастания тока. Затем вокруг канала разряда формируется и расширяется газовый пузырь, который заполнен горячим газом. Размеры этого пузыря зависят от параметров разряда, степени взаимовлияния разрядов и свойств рабочей жидкости. Газовый пузырь расширяется до некоторого максимального объёма, а затем схлопывается. Время существования газового пузыря намного больше времени разряда.

Эвакуация металла из кратера

Расплавленные частицы и пары металла вылетают из кратера, образованного разрядом в материале электрода, с высокой скоростью, достигающей 100 м в секунду. Это происходит частично во время разряда благодаря перепаду давления на границе между разрядом и металлом. Однако большая часть металла эвакуируется в расплавленном и газообразном состоянии в момент спада тока в конце разряда, связанным с резким падением давления в канале разряда. Это приводит к частичному испарению уже расплавленного металла и взрывообразному удалению его из кратера. Чем короче задний фронт импульса тока, тем интенсивней происходит эвакуация металла из кратера.

Термохимические процессы в диэлектрике (рабочей жидкости)

Рабочие жидкости для ЭЭО обычно содержат углерод. При нагревании и испарении жидкости во время разряда образуются асфальтосмолистые соединения и частицы пирографита - продукты термокрекинга. Диэлектрик испаряется не только вокруг разряда, но и в сильно нагретых соседними разрядами местах рабочей зоны. Эти процессы потребляют 10-15 % общей энергии, поступающей от генератора. Продукты термокрекинга являются токопроводящими, поэтому при прочих равных условиях их концентрация определяет величину зазора между электродами.

Процессы в зоне обработке при массовом воздействии разрядов

Даже если паузы между разрядами намного больше длительности разрядов, серии предыдущих разрядов оказывают влияние на условия пробоя и развитие последующих разрядов. На черновых и получистовых режимах ЭЭО время паузы выбирается намного меньшим, чем длительность разряда. Поэтому взаимовлияние разрядов, которые инициируются в ограниченном объёме зоны обработки между электродами, имеет большое значение в распределении разрядов по поверхности указанной зоны обработки. В свою очередь от распределения разрядов зависят не только съём металла и износ ЭИ, но и толщина термоизмененного слоя, а также равномерность шероховатости поверхности после обработки.

Взаимовлияние разрядов приводит к их группированию на локальных участках рабочей зоны, поскольку условия для инициирования последующих разрядов лучше там, где были предыдущие разряды.

Суперпозиция температур на локальных участках формирования групп разрядов приводит к перегреву этих участков и испарению рабочей жидкости в этих местах. Пар движется к выходу из рабочей зоны, увлекая за собой продукты эрозии. В случае, если объём пара превышает объём рабочей зоны, процесс эвакуации продуктов эрозии прекращается. Разряды происходят между электродами и продуктами эрозии, приводя к их спеканию и образованию шлака. Задача управления процессом - не допустить шлакообразования.

Благодаря суперпозиции температур толщина термически измененного слоя от групп разрядов всегда больше толщины измененного слоя от одного разряда. Тепловую энергию аккумулируют оба электрода, затем она передается рабочей жидкости и с нею выходит из зоны обработки. На нагрев электродов и жидкости уходит до 80 % энергии генератора.

Имеется еще один процесс, связанный с группированием разрядов. На локальных горячих участках поверхности анода, где группируются разряды, адгезируется тонкий слой пирографита. Этот слой при соответствующих условиях резко снижает износ ЭИ из меди и графита. Вышеописанное поясняет важность группового инициирования разрядов без шлакообразования.

Заказать услугу

Стоимость услуг рассчитывается индивидуально для каждого заказа и зависит от общего объёма работ, их сложности и типа обрабатываемого материала. Чтобы уточнить цены, свяжитесь с нашими менеджерами по телефону +7 (499) 71-000-53, напишите на info@pvlt.ru или посетите наш офис лично.