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:

1. диодный мост проводит выпрямление промышленного тока напряжением 220 или 380 Вольт;
2. установленная лампа ограничивает тока короткого замыкания и защиты диодного моста;
3. чем выше показатель нагрузки, тем быстрее проходит зарядка электроискрового станка;
4. после того как зарядка закончится, лампа погаснет;
5. зарядив установленный накопитель можно поднести электрод к обрабатываемой заготовке;
6. после того как проводится размыкание цепи, конденсатор снова начинает заряжаться;
7. время зарядки установленного накопительного элемента зависит от его емкости. Как правило, временной промежуток от 0,5 до 1 секунды;
8. на момент разряда сила тока достигает несколько тысяч ампер;
9. 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:

1. на конденсаторе указываемое напряжение не должно быть менее 320 Вольт;
2. 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;
3. лампу устанавливают в фарфоровый патрон. Следует защитить лампу от падения, устанавливается автомат защиты с силой токи от 2 до 6 Ампер;
4. автомат используется для включения цепи;
5. электроды должны иметь прочные зажимы;
6. для минусового провода используется винтовой зажим;
7. 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:

1. электрод;
2. винт зажима, используемый для фиксации плюсового провода и электрода;
3. втулка для направления;
4. корпус, изготавливаемый из фторопласта;
5. отверстие, используемое для подачи масла;
6. 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.

Рис. 1. Электроискровой карандаш: 1 - рабочий электрод; 2 - сердечник; 3 - щечка; 4 - трубка; 5 -лента изоляционная; 6 - обмотка электромагнита; 7 - пружина; 8 - пробка; 9 - провод соединительный; 10 - зажим

ки. Возле передней (по рисунку) щечки к трубке паяют конец провода катушки (ПЭЛШО 0,5-0,6) и наматывают провод виток к витку по всей поверхности трубки в 7-8 слоев. Второй вывод катушки делают многожильным монтажным проводом (например,^ марки МГШВ) сечением не менее 1 мм", к концу которого припаивают зажим типа «крокодил». От случайных повреждений катушку защищают слоем лакоткани, поверх которой наматывают слой изоляционной ленты. После этого в трубку вставляют пружину (15-20 витков), ввинчивают пробку (винт М5), а в разрезной конец сердечника плотно вставляют электрод - стальную иглу диаметром 1 мм. При работе металлическую деталь, на которую необходимо нанести рисунок или надпись, соединяют с одним из выводов понижающей (5-10В) обмотки трансформатора, а другой вывод обмотки - с зажимом «крокодил» на выводе катушки. Смочив поверхность детали керосином, прикасаются к ней острием иглы. При этом замыкается цепь питания катушки, и возникающее магнитное поле втягивает сердечник внутрь трубки. Цепь размыкается. Затем сердечник под действием пружины возвращается в исходное состояние, и игла вновь касается металла. Между иглой и поверхностью обрабатываемой детали возникает искра, которая и оставляет четкий след на металле.

Малогабаритная электроискровая установка

Простая электроискровая установка позволяет легко и быстро обрабатывать небольшие детали из электропроводящих материалов любой твердости. С ее помощью можно получать сквозные отверстия также любой формы, извлекать сломавшийся резьбовой инструмент, прорезать тонкие щели, гравировать, затачивать инструмент и др. Сущность процесса электроискровой обработки заключается в разрушении материала заготовки под действием импульсного электрического разряда. Благодаря малой площади рабочей поверхности инструмента в месте разряда выделяется большое количество тепла, которое расплавляет вещество обрабатываемой детали. Процесс обработки наиболее эффективно идет в жидкости (например, в керосине), омывающей место контакта вибрирующего инструмента и детали и уносящий с собой продукты эрозии. Инструментом служат латунные стержни (электроды), повторяющие форму предполагаемого отверстия. Принципиальная электрическая схема установки изображена на рис. 3. Работает установка следующим образом. Разрядный конденсатор Ci соединен своим плюсовым вы-

Обработка металлов различного уровня твердости с высокой точностью возможна при использовании нетрадиционных способов. К ним относится и резка, шлифовка и укрепление поверхности электроэрозионными воздействиями. Электроэрозионный станок придуман достаточно давно, но получил распространение только в последние десятилетия.

Первый станок промышленного уровня был создан компанией CHARMILLES TECHNOLOGIES в 1952 году, а электроэрозионный станок с ЧПУ появился в 1969 году. По сравнению с традиционными способами обработки металлов - ковкой, литьем, шлифованием, фрезеровкой, электроискровой способ можно считать инновационным. Первым упоминаниям о кованых и литых изделиях несколько тысяч лет.

Все металлы относятся к токопроводящим веществам, поэтому электроэрозионная обработка применима ко всем видам сплавов. С ее помощью можно выполнять широкий спектр работ, начиная от обычной резки и сверления и заканчивая:

• тонким шлифованием;
• наращиванием поверхности и восстановлением конфигурации;
• упрочнением;
• копированием;
• прошивкой;
• гравировкой;
• напылением.

Электроэрозионное оборудование базируется на принципе возникновения кратковременной электрической дуги, которая приводит к потере вещества катодом и анодом. При кратковременном импульсе вещество удаляется с анода, при более длительном - с катода. Современные электроэрозионные станки используют в работе оба вида импульсов. К положительному или отрицательному полюсу могут подсоединяться и рабочий инструмент и обрабатываемая деталь.

Единственное условие, которое соблюдается во всех видах станков - используется только постоянный ток. Уровень напряжения и сила тока зависят исключительно от параметров обрабатываемого металла. Частота возникновения импульсов определяется механическим сближением и отдалением электрода и рабочей поверхности - пробой возникает только на определенном расстоянии между контактными поверхностями.

Электроимпульсная обработка металлов направленная на разрушение обрабатываемой детали (резание или сверление) производится в диэлектрической среде, представляющей собой специальную жидкость. Чаще всего используются масло, керосин или дистиллированная вода. Операции по наращиванию поверхности, укреплению или напылению выполняются в воздухе или вакууме.

Электроэрозионная резка металла

Этот вид обработки используется в случаях, когда необходимо изготовление сложных по контуру деталей небольшого размера с высокой точностью кромок, изготовление деталей из особо твердых сплавов, в ювелирном деле. Ограничения по размерам заготовок и толщине обрабатываемого материала определяются только конструкцией конкретного станка. В большинстве случаев, электроэрозионная обработка резкой применяется на промышленных предприятиях, ориентированных на крупносерийное производство деталей высокой точности, не требующих дальнейшей обработки.

Но без особого труда можно построить электроэрозионный станок своими руками, если обладать некоторыми слесарными навыками и определенными знаниями электроники и электротехники. Схема самодельного электроэрозионного станка для резки несложная и реализовать ее можно даже в домашних условиях, не говоря уже о металлообрабатывающей мастерской или цехе небольшого предприятия.

Но следует учесть, что в самодельных станках очень сложно реализовать главные преимущества электроэрозионной обработки - высокую точность и универсальность. Тугоплавкие металлы и сплавы режутся очень медленно и требуют большого расхода электроэнергии.

При резке металла заготовка подключается к положительному полюсу источника тока, рабочий электрод - к отрицательному. Потеря вещества на аноде - не что иное, как эрозия, разрез, толщина которого зависит от геометрии катода. Большую роль играет и вид диэлектрика, с которым работает определенный вид электроэрозионных станков.

Для промышленного производства применяются два основных вида оборудования - электроэрозионный проволочный станок (вырезной) и электроэрозионный прошивной станок. Первый вид используется при обработке габаритных деталей из толстостенного металла, второй - для более точной работы по копированию деталей из высокопрочных материалов или строгих требованиях к их форме.

Проволочно-вырезные станки

Электроэрозионный промышленный проволочно-вырезной станок работает по бесконтактному принципу взаимодействия токопроводящей проволоки (молибден, вольфрам или иной тугоплавкий металл) диаметром 0,1-0,2 мм и заготовки. Обрабатывать можно металл любого уровня тугоплавкости в различной толщине детали. К проволоке, намотанной на вращающиеся барабаны, которая движется в двух направлениях - по вертикали и в сторону обрабатываемой детали, подсоединен положительный полюс, к заготовке - отрицательный.

По мере движения линии проволоки возникает разряд, который прожигает в детали линии требуемой конфигурации. По сути, электроэрозионная обработка на проволочном станке выполняет операции фрезеровочного, но на металлах особой прочности и с точностью, недостижимой при механической обработке. Это включает:

• сверхмалые углы;
• закругления микродиаметров;
• сохранение параллельности линий на всей глубине;
• высокую точность поверхности кромок.

Точность обработки достигает 0,110-0,012 мм.

Электроэрозионные прошивные станки

Электроконтактная прошивочная обработка металлов заключается в воздействии точечного электрода с заданной формой поперечного сечения, от которого зависит форма эрозионного углубления в заготовке. Применяются они для обработки:

• нержавеющих сталей;
• инструментальных сплавов;
• титана;
• закаленной стали.

Но работать могут со всеми видами токопроводящих материалов, когда требуется изготовление отверстий или углублений большой глубины с минимальным диаметром и точной геометрией сечения.

Одной из самых сложных операций прошивочного станка является изготовление резьбовых отверстий в тугоплавких материалах высокой прочности. В этом случае используются только станки с ЧПУ. Электрод из тонкой проволоки заводится внутрь отверстия и перемещается в продольном и поперечном направлении (по осям X,Y, с одновременным перемещением по оси Z). Получается отверстие со сложной конфигурацией стенки, резьбовой или иного профиля.

Электроконтактная обработка позволяет получать высокоточные оттиски штампов, пресс-форм или иных малогабаритных деталей. В этом случае электрод является миниатюрной копией требуемого изделия, изготовленной из меди или графита. В зависимости от полярности соединения на заготовке получаются четкие углубления или не менее четкие выступы. Такие электроэрозионные станки производятся как в стационарном, так и в настольном исполнении (например, G11 ARAMIS (Чехия)).

Самодельные электроэрозионные станки

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.

В зависимости от схемы генератора станка, в нем используются весьма опасные токи величиной 1-30А при напряжении 220 В. Изоляция всех токопроводящих частей должна быть исключительно надежной. Как работает самодельный станок можно посмотреть на видео, или здесь.

После анализа различной информации из интернета, можно сделать вывод, что по-настоящему работоспособными являются только промышленные станки. Самоделки пригодны для гравировки, нанесения надписей, пиления тонких листов металла, с которым справиться может качественный профессиональный электролобзик.

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.

Простая электроискровая установка (рис. 1) позволяет легко и быстро обрабатывать небольшие детали из электропроводящих материалов любой твердости. С ее помощью можно получать сквозные отверстия любой формы, извлекать сломавшийся резьбовой инструмент, прорезать тонкие щели, гравировать, затачивать инструмент и мн.др.

Сущность процесса электроискровой обработки заключается в разрушении материала заготовки под действием импульсного электрического разряда. Благодаря малой площади рабочей поверхности инструмента в месте разряда выделяется большое количество тепла, которое расплавляет вещество обрабатываемой детали. Процесс обработки наиболее эффективно идет в жидкости (например, в керосине), омывающей место контакта вибрирующего инструмента и детали и уносящей с собой продукты эрозии. Инструментом служат латунные стержни (электроды), повторяющие форму предполагаемого отверстия.

Рис. 1. Малогабаритная электроискровая установка:
1 — обрабатываемая деталь; 2 — инструмент; 3 — электромагнитный вибратор; 4 — зажимное устройство; 5 — ванночка.

Принципиальная электрическая схема установки изображена на рис. 2. Работает установка следующим образом. Разрядный конденсатор С1 соединен своим плюсовым выводом с обрабатываемой деталью 1. Минус его подключен к инструменту 2. Электромагнитный вибратор 3 сообщает инструменту непрерывные колебания. Этим обеспечивается постоянное искрение в месте контакта и предотвращается возможность сварки инструмента с деталью. Обрабатываемая деталь 1 закреплена в зажимном устройстве 4, которое имеет надежный электрический контакт с ванночкой 5.

Силовой трансформатор собран на сердечнике Ш32 из обычной трансформаторной стали. Толщина набора 40 мм. Первичная обмотка содержит 1100 витков провода ПЭВ 0,41 с отводом от 650-го витка. Вторичная обмотка имеет 200 витков провода ПЭВ-2 диаметром 1,25 мм. Между первичной и вторичной обмотками помещена экранирующая обмотка III , состоящая из одного слоя, намотанного проводом ПЭВ 0,18. Емкость разрядного конденсатора 400 мкФ (два конденсатора типа КЭ-2 200 х 50 В). Реостат R1 рассчитан на ток 3—5 А. Этот реостат намотан нихромовым проводом диаметром 0,5—0,6 мм на сопротивлении ВС-2.

Рис. 2. Принципиальная электрическая схема электроискровой установки.

Диоды Д1—Д4 типа Д304, можно использовать и другие типы диодов. На выходе выпрямителя напряжение порядка 24—30 В. Можно использовать источники питания и с более низким напряжением, но с большим током, чтобы мощность, потребляемая цепью заряда, была не менее 50—60 Вт.

При работе установки происходит непрерывное искрение. Для уменьшения помех, создаваемых установкой, в цепь ее питания необходимо включить простейший фильтр радиопомех.