Электроэрозионная обработка

Аннотация: в данной статье рассмотрены основные аспекты электроэрозионной микрообработки. Выделена актуальность темы, основные проблемы и перспективы развития. Изучена эвакуация продуктов эрозии и методы улучшения её условий. Кроме того, описан процесс износа и деформации электрода-инструмента при электроэрозионной обработке.
Введение
На сегодняшний день в промышленности всё чаще появляются задачи получения сложно выполненных отверстий, пазов и иных труднообрабатываемых деталей. За счет современных достижений в области производства появляется возможность решения подобного рода задач при помощи механической обработки. Наиболее целесообразно для этого применять особо эффективные методы обработки, в особенности, электроэрозионную обработку.
Актуальность данной темы обусловлена широким и повсеместным применением электроэрозионной обработки в промышленном производстве в современное время. На российских предприятиях постоянно появляются новые фирмы современного электроэрозионного оборудования, а также разрабатываются новые технологии и повышаются технологические показатели данного вида обработки, что доказывает её высокую необходимость и использование в производстве.
Проблемы. Несмотря на широкое применение электроэрозионной обработки в промышленности, существует несколько проблем, которые усложняют процесс её использования. Так, например, одной из наиболее важных проблем является достаточно узкий диапазон режимных параметров, вследствие чего снижается производительность процесса. Также к проблемам относится высокий уровень отходов от эрозии, для чего требуется их постоянная эвакуация. Кроме того, важной проблемой является частый износ или деформация электрода-инструмента при обработке. Тем не менее, данные проблемы решаемы, поскольку данный вид обработки постоянно развивается и совершенствуется.
Перспективы развития электроэрозионной обработки достаточно широкие. К ним относятся следующие: разработка методов и средств повышения точности и качества обработанной поверхности; повышение уровня автоматизации; создание интегрированных технологических систем на основе процессов электроэрозионной обработки; разработка технологий защиты окружающей среды при выполнении работ; создание технологий и оборудования для электроэрозионного синтеза трехмерных объектов и др. [1, с. 51]]
Рассмотрим каждую из основных проблем в применении электроэрозионной обработки более подробно.
Эвакуация продуктов эрозии в МЭП и методы улучшения условий эвакуации
Производительность процесса ЭЭО напрямую зависит от интенсивности эвакуации продуктов эрозии. Поскольку при обработке микроотверстий организовать прокачку рабочей жидкости через МЭП весьма сложно, то эвакуация осуществляется естественным путем, в основе которого лежит электрический разряд [4, с. 1026].
При обработке микроотверстий после электрического разряда по торцу ЭИ парогазовые пузыри практически сразу попадают в вертикальный боковой межэлектродный зазор, где поднимаются вверх подъемной архимедовой силой. При этом движущиеся вверх парогазовые пузырьки увлекают с собой продукты эрозии, создавая, поток. Так как твердые продукты в исследуемом процессе представляют собой микрочастицы размером от нескольких микрометров до нескольких нанометров, то в основе механизма их вывода из промежутка лежит флотационный способ, когда микрочастицы захватываются стенкой газового пузыря [2, с. 33]. При электроэрозионной микрообработке (ЭЭМО) естественная эвакуация продуктов эрозии из МЭП недостаточна для стабильного протекания процесса. Для того чтобы повысить технологические характеристики ЭЭМО глубоких микроотверстий необходимо улучшить эффективность удаления продуктов обработки из узкого межэлектродного зазора.
В настоящее время разработано множество методов, позволяющих повысить эффективность удаления продуктов обработки: прокачка рабочей жидкости, дискретное перемещение электрода-инструмента, ультразвуковая вибрация электрода, вращение электрода и их различные комбинации [2, с. 36].
При использовании метода прокачки рабочей жидкости (РЖ) требуется применение трубчатых ЭИ, через которые прокачивается РЖ под высоким давлением. Однако при обработке отверстий глубоких малого диаметра (условно относят отверстия с диаметром менее 0.2 мм) возникает проблема изготовления трубчатых электродов.
Положительное влияние ультразвуковых колебаний обусловлено следующими факторами (причинами): уменьшение диаметра парогазовых пузырей, увеличением количества и скорости движения их в боковом МЭП.
Вращающийся ЭИ является широко используемым в ЭЭМО для улучшения условия эвакуации продуктов эрозии из зоны обработки. Самым простым ЭИ для обработки микроотверстий является электрод цилиндрической формы. При использовании цилиндрического электрода возможно обеспечить стабильную обработку отверстий только не очень большой глубины. Вращение ЭИ позволяет использовать для обработки отверстий ЭИ с некруглым поперечным сечением. Использование таких электродов позволяет увеличить объем межэлектродного пространства и тем самым существенно облегчить условия эвакуации продуктов обработки [5, с. 346].
Износ электрода-инструмента при электроэрозионной микрообработке
Износ инструмента непосредственно влияет на точность и производительность обработки. В результате износа происходит затупление режущей кромки инструмента, снижающее его режущие свойства. При затуплении нарушаются условия стружкообразования, возрастают силы резания, ухудшаются точность обработки и качество обработанной поверхности, снижается производительность [3, с. 14].
Основные виды износа инструмента — это износ по передней, задней поверхностям резца, комбинированный износ и деформация режущего клина.
По механизму затупления режущей кромки условно выделяют следующие виды износа инструмента: макро- и микросколы, пластическая деформация, абразивно-механический, абразивно-химический, адгезионно-усталостный и диффузионный [3, с. 16].
Хрупкие микросколы возникают в твердосплавном инструменте из-за попадания в зону обработки крупных частиц повышенной твердости. Это может быть неустойчивая часть нароста или частицы оксидов и формовочных смесей при обработке отливок и поковок. Микросколы режущей кромки возникают под действием изгибающих напряжений, превышающих допустимые, особенно при ударных нагрузках.
Пластическая деформация. В процессе резания инструментами из быстрорежущих и углеродистых сталей наблюдается пластическое деформирование режущего клина, приводящее к опусканию передней и выпучиванию задней поверхности. В результате опускания передней поверхности изменяется передний угол и, соответственно, ухудшаются условия резания.
Абразивно-механический износ инструмента обусловлен микро- царапанием и разрушением передней и задней поверхностей инструмента твердыми компонентами обрабатываемого материала (карбидами, нитридами, упрочняющими интерметаллидными фазами, оксидами) и мелкими частицами периодически разрушающегося нароста. Абразивному изнашиванию подвергается инструмент из углеродистых, легированных, инструментальных, а также быстрорежущих сталей.
Абразивно-химический износ инструмента происходит, когда в составе СОЖ содержатся химически активные вещества, ослабляющие поверхностное натяжение инструментального материала. В результате облегчается процесс абразивного разрушения материала при микроцарапании.
Адгезионно-усталостное изнашивание инструмента является результатом схватывания инструментального и обрабатываемого материала с последующим вырывом частиц инструментального материала. Наиболее активно адгезионное изнашивание протекает при температуре 0,35—0,5 от температуры плавления материала инструмента и невысокой разности твердостей инструментального и обрабатываемого материалов.
Диффузионное изнашивание инструмента протекает при таких условиях резания, когда между обрабатываемым и инструментальным материалами устанавливаются устойчивые адгезионные связи и при температурах выше 850°С происходит взаимная диффузия инструментального и обрабатываемого материалов. Этот вид изнашивания в большей степени характерен при обработке инструментом из твердых сплавов, металлокерамики и алмазным инструментом.
Реально на практике затупление режущего инструмента происходит в результате одновременно протекающих различных видов износа и пластического деформирования режущей кромки.
Деформация или вибрация электрода-инструмента при электроэрозионной микрообработке
Деформация электрода-инструмента оказывает воздействие на точность обработки в случае, когда обладает малой жесткостью. Это по большей части касается операций электроэрозионного вырезания. При ЭЭВ в качестве инструмента используется проволока диаметром 0,3-0,03 м, изготавливаемая, как правило, из латуни. Под воздействием силы, возникающей в МЭЗ при пробое, проволока прогибается на некоторую величину. Силы от разрядов влияют как на фронтальную поверхность проволоки, так и на боковые поверхности. В результате стенки реза получаются не прямолинейными [3, с. 30].
Для снижения деформации парковочного ЭИ к нему прикладывают растягивающую силу. Её величина ограничена модулем упругости материала проволоки. Важно учитывать, что при обработке диаметр проволоки уменьшается. То есть необходимо обеспечить некоторый запас прочности при натяжении проволоки. Увеличение диаметра проволоки с целью повышения её жесткости ограничено величиной получаемого реза.
Ещё одной проблемой, связанной с прогибом проволоки, является округление углов при ЭЭВ. Для повышения точности вырезания углов применяют различные стратегии управления обработкой, основанные на нечеткой логике. При переходе от линейного участка реза к угловому производится уменьшение энергии импульса, с целью снизить силовые нагрузки на провод.
Существующие модели деформации проволочного ЭИ достаточно хорошо согласуются с практическими результатами. Эти модели могут быть использованы при выборе параметров электроэрозионного вырезания. Их использование сдерживается недостатком моделей, позволяющих определять силу, действующую на электрод во время пробоя [3, с. 34].
Общие выводы
В современное время электроэрозионная микрообработка является одним из основных способов обработки в промышленности.
Несмотря на широкую распространенность данного вида обработки, существуют проблемы, с которыми приходится сталкиваться в процессе работы с ней. К ним относятся: эвакуация продуктов эрозии, износ и деформация электродов-инструментов.
Эвакуация продуктов эрозии напрямую влияет на производительность обработки. К повышению эффективности удаления продуктов обработки относятся: прокачка рабочей жидкости, дискретное перемещение электрода-инструмента, ультразвуковая вибрация электрода, вращение электрода и их различные комбинации.
Износ инструмента влияет на точность и производительность обработки. Вследствие износа происходит затупление режущей кромки инструмента, которое снижает его режущие свойства. Основные виды износа инструмента: износ по передней, задней поверхностям резца, комбинированный износ и деформация режущего клина. По механизму затупления выделяют виды износа: макро- и микросколы, пластическая деформация, абразивно-механический, абразивно-химический, адгезионно-усталостный и диффузионный.
Деформация электрода-инструмента влияет на точность обработки, когда имеет малую жесткость. Зачастую это касается операций электроэрозионного вырезания. Для снижения деформации ЭИ к нему прикладывают растягивающую силу.
Таким образом, электроэрозионные технологии и оборудование сформировали важный элемент в современной технологии машиностроения, роль которого в развитии производства наукоемких изделий постоянно растет.
Список литературы:
Груздев А.А. Повышение производительности операций электроэрозионной прошивки отверстий малого диаметра путем наложения ультразвукового поля. — А.А. Груздев. — М. — 2018. — С. 47-67
Екатериничев А.Л. Обоснование параметров электродов-инструментов и условий электроэрозионного микроформообразования / А.Л. Екатериничев. — Тула. — 2005. — С. 32-44
Журин А.В. Методы расчета технологических параметров и электродов-инструментов при электроэрозионной обработке / А.В. Журин. — Тула. — 2005. — С. 13-36
Mehdi Hourmand, Ahmed A. D. Sarhan, Mohd Sayuti Micro-electrode fabrication processes for micro-EDM drilling and milling: a state-of-the-art review. — The International Journal of Advanced Manufacturing Technology. — 2017. — С. 1024-1028
Mahadi Hasan, Jingwei Zhao, Zhengyi Jiang A review of modern advancements in micro drilling techniques. — School of Mechanical, Materials and Mechatronic Engineering, University of Wollongong, Australia. — 2017. — С. 345-347