Теоретичні відомості. Пріоритет у створенні та розвитку електроерозійних методів обробки матеріалів

Пріоритет у створенні та розвитку електроерозійних методів обробки матеріалів належить СРСР. У 1943 р. радянські вчені Б.Р. Лазаренко та Н.І. Лазаренко винайшли електроіскровий метод обробки струмопровідних матеріалів, що дав розвиток іншим методам електроерозійної обробки. Подальший розвиток електроерозійні методи отримали в роботах А.Л. Лівшица, Б.Н. Золотих, В.Ю. Веромана, Б.А. Красюка, К.К. Намітоковата інших.

До сучасних методів електроерозійної обробки належать електроіскрова, електроімпульсна, електроконтактна обробка. В основу цих методів покладено використання енергії електричного розряду, що збуджується між електродом-дротом та оброблюваною заготовкою для видалення матеріалу при формотворенні деталі.

Електроерозійна обробка широко застосовується в промисловості для виготовлення деталей із важкооброблюваних струмопровідних матеріалів (обробка порожнин штампів, прес-форм, отримання отворів різної конфігурації, виготовлення криволінійних щілин та пазів, контурне різання, клеймління, видалення зламаного інструмента та кріплень з деталі та інше).

Електроерозійна обробка (ЕЕО) полягає в зміні форми, розмірів, шорсткості та властивостей поверхні заготовки під дією електричних розрядів внаслідок електричної ерозії. Спрощена схема електроерозійної обробки наведена на рисунку 2.1.

Принцип дії схеми такий. При вмиканні джерела електроживлення 1 відбувається зарядження конденсатора 3 через резистор 2. Під час зарядження конденсатора збільшується напруга між анодом-деталлю 5 та катодом-інструментом 4. Після досягнення величини пробійної напруги на міжелектродному проміжку виникає його пробій, внаслідок якого відбувається руйнування електродів. Наведений генератор імпульсів називається залежним або релаксаційним, тому що робота всієї схеми залежить від властивостей міжелектродного проміжку (стану поверхні електродів та середовища, що заповнює міжелектродний проміжок).

Релаксаційним такий генератор називається через те, що коливання, які виникають в коливальному контурі 3-4-5, з часом затухають.

1 - генератор; 2 — змінний опір; 3 - конденсатор; 4 — інструмент; 5- деталь

Рисунок 2.1 - Схема процесу електроерозійної обробки

Розглянемо фізику процесів, що виникають в міжелектродному проміжку при електроерозійній обробці. При наближенні електрода-інструмента до заготовки зростає напруженість електричного поля Е. Найбільша напруженість виникає на ділянці, де міжелектродний проміжок є мінімальним. Розташування цієї ділянки залежить від місцевих виступів, нерівностей на інструменті та заготовці. Якщо електроди наблизити до відстані кількох десятків мікрометрів, то в окремих місцях напруженість поля може досягти значення, при якому в місці найменшого зазору виникає електричний розряд. В міжелектродному проміжку виникають електрони та іони. Електрони, що мають меншу масу, швидко досягають анода та розігрівають метал, викликаючи розплавлення та випаровування його у місці проходження струму. Внаслідок цього створюється заглиблення у формі сферичної лунки радіусом R. Частки металу, що вилетіли з лунки, охолоджуються робочою рідиною (діелектричною), що знаходиться в проміжку, та застигають у вигляді кульок. При дії серій розрядів поверхня набуває форми з чітко вираженими заглибленнями у вигляді лунок, що формують рельєф поверхні.

На поверхневий шар дна лунки діє термічний цикл нагрівання та швидкого охолодження робочою рідиною. Виникає зона термічного впливу глибиною від 2 до 5 мкм.

В електроіскровому режимі більшість іонів, що мають масу значно меншу порівняно з електронами, не встигають досягти катода та спричинити його руйнування. Руйнування металу здійснюється переважно з анода, що обирають як заготовку. При малій довжині імпульсу іони не в змозі досягти катода, і останній не руйнується. При цьому збільшується час обробки та знижується продуктивність.

Полярність, за якої заготовка є анодом, називається прямою. Електроерозійна обробка, за якої використовують електроіскровий режим, звичайно здійснюється за прямої полярності ввімкнення електродів.

Збільшення довжини імпульсів струму призводить до іонного бомбардування катода. Якщо енергія іонів виявляється меншою від енергії, яка необхідна для руйнування катода, то іони занурюються в поверхню, здійснюючи легування або нанесення покриття на поверхню катода. Якщо в розрядному проміжку іони набули достатньої енергії для плавлення катода, то відбувається руйнування останнього. При такій обробці як заготовку необхідно обрати катод. Полярність, за якої анодом є електрод-інструмент, називають зворотною. Обробку матеріалів при електро-імпульсному режимі виконують за зворотної полярності ввімкнення електродів.

Під час електроерозійної обробки, як правило, зношується інструмент. Введено поняття відносного зносу, під яким розуміють відношення маси або об'єму матеріалу, що видалений з електрода-інструменту, до маси або об'єму металу, знятого з заготовки.

Якщо процес відбувається у повітряному середовищі, то виникають більш довгі дугові розряди, ніж при процесі у рідині.

Характер проходження електроерозійного процесу, кількість та якість матеріалу, що видаляється з ерозійної лунки, швидкість видалення залежать від різних параметрів імпульсів електричного струму.

Основними параметрами імпульсу є: довжина, скважність, амплітуда та частота.

Довжина τ імпульсу визначає час дії імпульсу електричного струму (його тривалість). При електроерозійній обробці використовують імпульси довжиною від 10^-7 до 10^-1 с. Імпульси довжиною τ <10^-4 с переважно використовують в електроіскровій обробці, а довжиною τ >10^-4 с - в електроімпульсній.

Скважністю імпульсів називають відношення періодів повторення імпульсів Т до довжини імпульсу τ:

(2.1)

Величина скважності визначає можливість концентрації у часі значних енергій та потужностей в зоні обробки. При q=1 імпульси струму підводяться безперервно, тому безперервно підводиться теплова енергія до елементарної ділянки оброблюваної поверхні. Бажано, щоб процес створення окремої лунки закінчувався дещо раніше початку впливу наступного імпульсу. Тому діапазон скважностей, що застосовується при електроіскровій обробці, звичайно знаходиться в межах від 1 до 30. В електроіскровій обробці застосовують імпульси скважністю від 5 до 10, в електроімпульсній - q менше 5. При q більше 30 вважають, що на оброблювану поверхню діють не періодичні, а одиничні імпульси енергії.

Частота імпульсів визначається заданою скважністю та довжиною імпульсу і показує, яка кількість імпульсів подається за одиницю часу

(2.2)

При електроерозійній обробці використовується діапазон частот від 100 до 200 000 Гц.

Амплітуда імпульсів струму при електроерозійній обробці змінюється від долі ампера до десятків тисяч ампер. Амплітуди імпульсів напруги змінюються у відносно широкому діапазоні (від десятків до кількох тисяч вольт).

Важливою характеристикою імпульсу є його форма. В електроерозійній обробці використовують імпульси таких форм:

1) уніполярні з постійною складовою (пульсуючий струм) (рисунок 2.2, а);

2) уніполярні (рисунок 2.2, б);

3) симетричні знакозмінні (рисунок 2.2, в);

4) несиметричні знакозмінні (рисунок 2.2, г).

Рисунок 2.2 - Форми імпульсів, що застосовуються в електроерозійній обробці

Імпульси уніполярні з постійною складовою та уніполярні використовуються в електроімпульсній обробці, симетричні знакозмінні та несиметричні - в електроконтактній.

Зміни параметрів та форми імпульсів значно впливають на характер електроерозійного процесу.

Характеристикою електроерозії матеріалу є критерій фазових перетворень Палатника

(2.3)

де с - теплоємність матеріалу електрода;

ρ - густина;

λ - коефіцієнт теплопровідності;

Т_п - температура плавлення;

П - критерій Палатника.

Критерій Палатника показує, який з двох матеріалів електродів, що знаходяться в однакових умовах, раніше чи пізніше нагрівається до температури плавлення. Чим більша величина «П» матеріалу електрода, тим вища ерозійна стійкість та нижча оброблюваність матеріалу електрода при однакових умовах. Нижче наведено значення критерію Палатника, розраховані для ряду матеріалів.

Матеріал	Критерій Палатника
Вольфрам	23,4·10^11
Мідь	12·10^10
Хром	32·10^9
Нікель	28·10^9
Кобальт	27·10^9
Цинк	11,6·10^9
Залізо	26,2·10^8

Ступінь ерозії електрода в певних умовах залежить від полярності електродів. Так, при однакових умовах дії імпульсу на матеріали електродів спостерігається більша ерозія анода. При дії довгих імпульсів до більшої ерозії схильний катод. При електроімпульсній обробці полярність зворотна: заготовка - катод, інструмент - анод.

Дата добавления: 2015-08-17