33

Лабораторная работа «Электроэрозионная обработка материалов»

1.1. Цель работы

Изучение сущности электрической эрозии, возникающей при импульсном электрическом разряде в жидкости, и экспериментальное исследование влияния основных факторов, определяющих производительность, шероховатость и точность электроэрозионной обработки.

1.2. Теоретическая часть

Обработка

лезвийным

инструментом

деталей

из

некоторых

н

материалов крайне затруднительна, а в ряде случаев невозможна. Поэтому

актуален поиск новых методов обработки. Среди электрофизических методов

электроэрозионная обработка

занимает

очень

важное .

местоС помощью

электрической эрозии можно обрабатывать токопроводящие материалы любой

механической

прочности, твердости,

вязкости,

хрупкости,

получить

заранее

заданную

шероховатость

обработанной

поверхности, обработать

сложные

поверхности, которые нельзя получить резанием.

Метод электроэрозионной обработки был предложен в1943 году советскими

учеными Б.Р.Лазаренко и Н.И.Лазаренко. Сущность метода заключается в том,

что формообразование осуществляется в результате съема

материала

п

многократном

возбуждении

в межэлектродном

промежутке

электрически

разрядов.

Схема

электроэрозионной

обработки

показана

на

рисунке3.1.

Электроды, один из которых

является обрабатываемой

деталью1, а

другой

инструментом

2,

подключаются

к

генератору

электрических

импульсов

и

погружаются в диэлектрическую жидкость3. При сближении электродов на

достаточно малое расстояние происходит пробой межэлектродной среды в месте с

наибольшей напряженностью

электрического

поля.

Диэлектрическая

прочность

34

промежутка в месте пробоя нарушается, и образуется тонкий токопроводящий канал 4, замыкающий электроды. По образовавшемуся токопроводящему каналу протекает импульс тока большой плотности, канал разряда расширяется, при этом температура в зоне разряда достигает нескольких тысяч градусов. Участки электродов 5 и 7 в зоне разряда расплавляются и испаряются. Под действием высоких температур жидкость в зоне разряда разлагается, испаряется и вместе с парами металла образует быстро расширяющийся пузырь6. При уменьшении тока, проходящего через электроды, давление паров в расширяющемся газовом пузыре падает, при этом расплавленный металл вскипает и выбрасывается в виде мелких капель 8 в окружающую жидкость, где и застывает в виде мелких частиц.

Твердые продукты	эрозии	выносятся из межэлектродного промежутка по
действием ударных волн и течения жидкости, вызванных электрическим разрядом
и образованием	газового	пузыря	с последующим	его расширением. На
поверхностях электродов в		месте	прохождения разряда	образуются . лунки

Размеры лунок зависят в основном от энергии и длительности импульсов и электроэрозионной стойкости материалов.

		5
2	3	6
	4	7
1		8

Рисунок 3.1

В паузах между импульсами рабочая жидкость восстанавливает сво диэлектрические свойства (деионизируется).

При электрической эрозии наблюдается преимущественный съем материала с одного из электродов, даже если материалы электродов одинаковы. В качестве материала электрода-инструмента, в зависимости от серийности производства и

		35
особенностей	обработки,	используются	медь,	латунь,	алюминий
графитированный, алюминиевые сплавы АЛ-5, АД-1, алюминий, серый чугун СЧ-
15, углеродистые стали, вольфрам, специальные сплавы. Наибольшее применение

получили	медь, латунь, вольфрам, чугун. Наилучшие результаты по износу
получаются у графитированных материалов, которые стабильно работают как на
низких, так и на высоких частотах. Вольфрамовые электроды занимают
промежуточное положение между графитированными и медными.
В	качестве	рабочей	жидкости	используют	индустриальные,	м

трансформаторное масло, велосит, керосин, техническую воду.

Направленность съема материала определяется полярностью подключения электродов к генератору импульсов и параметрами импульсов.

Генераторы импульсов для электроэрозионной обработки можно разделить на две большие группы: релаксационные и независимые.

Релаксационный генератор RC, схема которого приведена на рисунке3.2, -

наиболее простой генератор импульсов.

R

- C

+

Рисунок 3.2

От источника постоянного тока напряжением до250 В через сопротивление

R конденсатор C накапливает энергию. Напряжение на конденсаторе повышается до величины, при которой происходит пробой межэлектродного промежутка, и

запасенная энергия выделяется в межэлектродном промежутке в виде короткого импульса большой мощности. Энергия разряда W (в джоулях) определяется по формуле

			36
			W = CU 2	2	,	(3.1)
где C – емкость конденсатора, Ф;
U – напряжение пробоя, В.
Импульс длится от нескольких микросекунд до сотен микросекунд.
Независимые генераторы бывают машинные и электронные. Первые
применяются для получения униполярных импульсов большой мощности,
невысокой	частоты	без	возможности		ее	регулировки. Транзисторные	и
тиристорные	генераторы		импульсов являются			наиболее эффективными

позволяют производить регулировку частоты, напряжения и тока в широком

диапазоне, а также получать импульсы различной ,формыуниполярные,

гребенчатые, с поджигающим импульсом и .,т.дчто обеспечивает высокую

производительность, хорошее качество обработанной поверхности и снижение износа электрода инструмента. Количество снимаемого материала в единицу

времени (в весовых или объемных ), единицаххарактеризующее

производительность процесса, при электроэрозионной обработке определяется выражением

q = kWf ,

(3.2)

где k – коэффициент,	учитывающий обрабатываемый материал, длительность
импульса, состав среды;
W – энергия единичного импульса, Дж;
f – частота импульсов, Гц.
Сравнительная	обрабатываемость		материалов		и	сплавов
электроэрозионной	обработке	приведена	в	таблице3.1, при		этом

обрабатываемость стали 45 взята за единицу.

37

Таблица 3.1

Обрабатываемый материал	Относительная скорость съема
	металла
Сталь 45	1
Серый чугун СЧ-15	0,6…1
Жаропрочные сплавы(1Х18Н9Т)	1,2…1,5
Алюминий и его сплавы	1,5…1,7
Твердые сплавы:
Т15К6	0,09…0,1
ВК8	0,14…0,15
ВК30	0,3…0,32

Принципиальные схемы некоторых операций электроэрозионной обработки материалов приведены в таблице 3.2.

В зависимости от величины энергии разряда и частоты следов импульсов метод электроэрозионной обработки подразделяют на два: вида электроискровая (ЭИсО) и электроимпульсная (ЭИмО) обработка.

38

Таблица 3.2 – Принципиальные схемы некоторых операций электроэрозионной обработки материалов

Операция				Эскиз						Применение
Обработка										Изготовление
глухих отверстий										молотовых и чеканочных
										штампов, шпоночных
										канавок в закаленных
										валах, пресс-форм
Сверление										Изготовление мелких
сквозных отверстий										твердосплавных фильер и
										высадочных матриц

Круглое	Изготовление матриц
шлифование	вырубных штампов из
цилиндрического	твердых сплавов
отверстия с
помощью
стержневого
электрода-
инструмента
Нарезание резьб	Нарезание резьб для
	крепления
	твердосплавных деталей
	штампов и режущего
	инструмента

39

Разрезание с

Прорезание узких

помощью

щелей свыше 0,1 мм в

ленточного

деталях машин и

электрода-

приборов

инструмента

При режимах электроискровой обработки применяются искровые разряды с

длительностью менее 1 мкс (порядка 10-4 - 10-8 с) и небольшой величиной энергии разряда. Это позволяет выполнять прецизионную обработку (с точностью порядка

0,005 - 0,01 мм) деталей сложной формы из твердых сплавов с получением

высокого класса шероховатости поверхности(до 8 – 9-го класса, Ra=0,63…0,32

мкм).

Режимы электроимпульсной обработки отличаются от электроискровой

обработки использованием импульсов длительностью в пределах500 - 10000 мкс

(обычно	1000 мкс), использованием	мощных	машинных	генераторов,
применением обратной полярности(инструмент –			анод). Это обеспечивает
высокую	производительность на черновых	режимах(5000 - 15000 мм3/мин), но

приводит к более низкому качеству обработанной поверхности(шероховатость поверхности до 3 - 4-го класса, Rz=80…40 мкм) и большей глубине дефектного слоя.

Поэтому во многих случаях целесообразно применение комбинированной электроэрозионной обработки, когда черновая обработка выполняется на режимах ЭИмО, а окончательная чистовая – на режимах ЭИсО.

Примеры применения электроискровой обработки приведены в таблице 3.3 и

на рисунке 3.3.

40

Таблица 3.3 – Примеры применения электроискровой обработки

Пример применения	Примечания
Изготовление отверстий Æ0,8 мм	Обработка при вращающейся заготовке
глубиной до 50 мм и Æ3 мм	с прокачкой жидкости.
глубиной до 800 мм в	Производительность в 4 - 5 раз выше,
труднообрабатываемых	чем при механическом сверлении
материалах
Изготовление отверстий малого	Обработка в закаленном состоянии.
диаметра 0,1 - 0,5 мм в	Повышение производительности в
распылителях насос-форсунок	30 раз по сравнению с механической
дизельных двигателей	обработкой
Вырезание проволокой	Твердосплавные детали изготовлены за
пуансонов и матриц вырубных и	6 часов вместо 20 часов для стальных
гибочных штампов. Точность	деталей
0,005 мм, шероховатость до 9-го
класса (Ra0,32 мкм)
Изготовление пуансонов и
матриц чеканочных штампов с
точностью 0,01 мм и
шероховатостью до 9-го
класса(Ra0,32 мкм)
Гравирование, клеймение	Возможность нанесения изображения
	на поверхность высокой твердости, в
	том числе на твердые сплавы

41

1

1

2	2

2

3

2

3

1

1

1	3
2	2

	1
3	1

1 – лента (проволочка), 2 – заготовка, 3 – опорные шкивы (ролики)

Рисунок 3.3 – Схемы электроискровой обработки лентой и проволочкой

Характеристики некоторых операций, выполняемых электроимпульсным методом, приведены в таблице 3.4.

42

Таблица 3.4 – Характеристики некоторых операций, выполняемых электроимпульсным способом

Операция	Обрабаты-	Шерохо-	Квалитет	Оборудование	Примечания
	ваемый материал	ватость	точности	, модель
		Rz, мкм
Извлечение сломанного	Металлы,	320 …	-	4611, 4Б722	Скорость извлечения
инструмента	твердые сплавы	160			2 … 3 мм/мин
Изготовление сит, решеток	Металлы и	40 … 10	7 … 10	МЭ-9, МЭ-27,	Изготовление сит
	сплавы			4Ц24М	отсадочных машин и др.
Прошивание полостей и		40 … 10	7 … 12	4Б722, 4273,
отверстий, изготовление матриц,				4А724, 4725,
штампов, пресс-форм				4726, 4723Д
Профилирование турбинных		160 … 40	9 … 11	4Б722, 4723,	Предварительная обработка
лопаток				МЭ-8	лопаток l<250 мм
Обработка канавок в прокатных		80 … 20	9 … 10	МА-53	Обработка канавок в валках
валках					для арматурной стали
Обработка рабочих колес турбин		20	7 … 11	4723Д, 4723,	Прорезание межлопаточных
и компрессоров				4Б722, 4А724	каналов сложной формы

		43
Обработка деталей из	Металлы,	20 … 10	7 … 9	4723, 4Б722
труднообрабатываемых	твердые сплавы
материалов

44

На

практике

электроэрозионной

обработкой

выполняют

следующ

операции:

§гравирование, прошивание, копирование;

§разрезание диском, лентой, проволочкой;

§прошивание полостей и отверстий;

§прошивание малых отверстий;

§извлечение сломанного инструмента и крепежа;

§упрочнение инструмента;

§роспись по металлу, роспись по неметаллическим материалам с использованием металлической формы в качестве подложки;

§профилирование твердосплавного инструмента;

§шлифование;

§нанесение металлов;

§получение порошков;

§прошивание отверстий с криволинейной осью.

Технологические		возможности		процесса	электроэрозионной		обработки,
точность размера и шероховатость обработанной поверхности зависят от режимов
обработки. Качество получаемой поверхности определяется ее шероховатостью и
термическими изменениями в поверхностных слоях металла. Поверхности,
полученные при электроэрозионной обработке, по характеру шероховатости
значительно	отличаются		от	поверхностей, полученных			резанием.
Микронеровности		имеют	вид	, лунокерегулярно		расположенных		на
обработанной	поверхности,		Границы	между	отдельными		неровностями
обозначены четко. После обработки на грубых режимах(при энергии импульсов
свыше 2 - 3 Дж	получаются блестящие поверхности, у					которых	заметны

сфероидальные оплавленные выступы, представляющие собой приваренные диспергированные частицы металла. При снижении энергии импульсов получают матовые поверхности.

45

На изменение микрорельефа поверхности основное влияние оказывает электрический режим обработки. Соотношение между высотой микронеровностей H и энергией импульсов W имеет следующий вид:

H = CH ×W p ,

(3.3)

где CH – коэффициент, характеризующий обрабатываемый материал, мкм/Дж; p – показатель степени.

Для углеродистых сталей и сплавовCH = 190…205; p = 0,33…0,40, для твердых сплавов CH = 67; p = 0,36…0,40.

Глубина дефектного слоя– зона термического влияния, также зависит от

энергии импульса. Данная зависимость для стали45 с твердостью HRCэ48

представлена в таблице 3.5.

Таблица 3.5

Энергия импульсов, Дж	Глубина зоны термического
	влияния, мм
0,0027	0,01
0,020	0,02
0,1	0,04
0,6	0,1 - 0,12
7	0,18	- 0,20
20	0,25	- 0,26
200	0,9	- 1,0

46

Профиль, образованный в процессе обработки поверхности, не совпадает полностью с исходным формообразующим профилем электрода инструмента вследствие погрешностей станка, нагрева заготовки, вибраций, процесса эрозии и износа инструмента. Процесс обработки протекает при наличии зазораDd между электродом-инструментом и обрабатываемой деталью, который должен быть учтен при конструировании инструмента (в соответствии с рисунком 3.4), однако колебание величины межэлектродного зазора заранее невозможно . учест Установлено, что износ электрода тем больше, чем ниже обрабатываемость материала. Суммирование различных погрешностей, вызванных процессом электроэрозионной обработки, дает суммарную погрешность процесса.

S	a
	Dd

Рисунок 3.4 – Схема образования бокового зазора между электродом-инструментом и обрабатываемой деталью

1.3. Методика выполнения работы

1.3.1.Оборудование и инструмент

1)Станок для электроэрозионной обработки.

2)Электроды-инструменты.

3)Заготовки из разных материалов.

4)Штангенциркуль ШЦ-I (0 - 125).

5)Микрометр гладкий (0 - 25).

6)Секундомер.