книги / Современные подходы к технологии электроэрозионной обработки материалов

Министерство образования и науки Российской Федерации

Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования «Пермский национальный исследовательский политехнический университет»

Т.Р. Абляз, А.М. Ханов, О.Г. Хурматуллин

СОВРЕМЕННЫЕ ПОДХОДЫ К ТЕХНОЛОГИИ ЭЛЕКТРОЭРОЗИОННОЙ

ОБРАБОТКИ МАТЕРИАЛОВ

Утверждено Редакционно-издательским советом университета

в качестве учебного пособия

Издательство Пермского национального исследовательского

политехнического университета

2012

1

УДК 621.9.06.048.4-529 ББК 34.63-5

А15

Рецензенты:

д-р техн. наук, профессор Ю.Н. Симонов (Пермский национальный исследовательский политехнический университет);

канд. техн. наук В.К. Флегентов (ЗАО «Новомет-Пермь»)

Абляз, Т.Р.

А15 Современные подходы к технологии электроэрозионной обработки материалов: учеб. пособие / Т.Р. Абляз, А.М. Ханов, О.Г. Хурматуллин. – Пермь: Изд-во Перм. нац. исслед. поли-

техн. ун-та, 2012. – 121 с.

ISBN 978-5-398-00762-6

Рассмотрены основные принципы метода электроэрозионной обработки, современное электроэрозионное оборудование и системы автоматизированного проектирования этого оборудования.

Предназначено для студентов технических вузов. Также может быть полезно специалистам в области электроэрозионной обработки металлов.

УДК 621.9.06.048.4-529 ББК 34.63-5

2

5

ВВЕДЕНИЕ

Современное машиностроение предъявляет очень жесткие требования к параметрам качества и надежности выпускаемой продукции. В условиях мирового экономического кризиса нужды потребителей в высококачественных товарах резко возросли. Возникшая конкурентная борьба заставляет российские предприятия создавать более новую высокотехнологичную продукцию, превосходящую по своим техническим характеристикам западные аналоги.

Одним из путей решения поставленных задач стало использование сверхтвердых материалов при производстве деталей машин и механизмов. Применение данных материалов позволяет повысить прочностные и эксплуатационные характеристики выпускаемых изделий, что, в свою очередь, позволяет создавать более функциональные механизмы, обладающие малыми габаритами при более высоких функциональных возможностях.

Несмотря на преимущества использования сверхтвердых материалов в машиностроении, их обработка на лезвийных металлообрабатывающих станках зачастую является невозможной.

Адекватным решением данной проблемы является применение электрофизических методов размерной обработки материалов. Одним из таких методов является электроэрозионная обработка (ЭЭО).

В настоящее время метод ЭЭО является одним из самых распространенных методов обработки высокотвердых материалов и положен в основу большинства технологических процессов как в серийном, так и в массовом производстве.

Основными преимуществами ЭЭО перед другими видами обработки являются [1]:

–возможность обработки электропроводных материалов вне зависимости от их твердости;

–возможность сложного формообразования как методом копирования, так и методом вырезания профиля;

–высокая точность обработки сверхтвердых материалов (возможность обеспечения точности обработки в диапазоне ±0,001 мм при шероховатости поверхности Ra = 0,02 мкм);

6

–возможность обработки деталей любых размеров;

–легкая автоматизация процесса;

–не требует дорогой оснастки.

Не все рассматриваемые в учебном пособии вопросы изучены полностью. В связи с этим авторы с благодарностью примут замечания читателей.

ГЛАВА 1. ОБЩИЕ СВЕДЕНИЯ О ПРОЦЕССЕ ЭЛЕКТРОЭРОЗИОННОЙ ОБРАБОТКИ

1.1. История возникновения и развития метода электроэрозионной обработки

Согласно ГОСТ 25331–82 ЭЭО заключается в изменении формы, размеров, шероховатости и свойств поверхности заготовки под действием электрических разрядов в результате электрической эрозии.

Впервые явление эрозии металлов под действием электрического тока было описано английским ученым Д. Пристли в конце XVIII в. [2]. Пристли заметил, что при разрыве электрической цепи в месте разрыва возникает искра или более продолжительная по времени электрическая дуга. Причем возникновение электрического разряда приводило к сильному разрушению поверхностей контактов разрываемой цепи, которое сопровождалось интенсивным съемом металла. Данное открытие было названо электрической эрозией. Однако впервые идея использования явления электрической эрозии для размерной обработки была предложена советскими учеными Б.Р. Лазаренко иН.И. Лазаренко.

В годы Великой Отечественной войны супруги Лазаренко работали над проблемой устранения разрушения от электрической эрозии высоковольтных выключателей. Проведенные эксперименты показывали, что после размыкания электрической цепи в жидком диэлектрике жидкость мутнела уже после первых разрядов между контактами. Они установили, что вследствие электрической эрозии электродов в жидкости появляются мельчайшие металлические шарики, иными словами, происходит съем металла.

7

Оказалось [3], что если обеспечить прохождение электрических импульсов тока между двумя электродами, поместив их в среду определенной рабочей жидкости (РЖ) (при этом один из электродов представляет обрабатываемую заготовку (деталь), а другой – инструмент (ЭИ)), то, сообщая инструменту поступательное движение (по мере разрушения заготовки вглубь), можно получить необходимую форму и размер обрабатываемой детали.

Таким образом, в 1943 г. был открыт абсолютно новый метод обработки токопроводящих материалов, названный ЭЭО. И уже в 1948 г. Б.Р. Лазаренко создает Центральную научно-исследова- тельскую лабораторию электрических методов обработки материалов, которая приобрела статус академической в 1955 г.

Активный вклад в развитие ЭЭО внесли такие ученые, как Б.Н. Золотых, Н.К. Фотеев, Б.И. Ставицкий и другие.

Успешно развивается ЭЭО материалов за рубежом. Создан мировой рынок соответствующих технологий и оборудования, лидирующие положения в котором занимает Япония, где в 1950-х гг. был создан НИИ электроэрозионной обработки [2, 4].

В настоящее время производство электроэрозионного оборудования стремительно развивается и занимает четвертое место по объему продаж на рынке металлорежущего оборудования.

История развития метода ЭЭО является ярким примером создания и дальнейшего развития наукоемких технологий. Данный метод является уникальным и в ближайшем будущем займет лидирующие позиции в мировом технологическом пространстве [5].

Термины и определения ЭЭО регламентируются ГОСТ 25331–82. Внастоящее время по технологическим признакам установлены следующие виды ЭЭО: прошивание (ЭЭПр), отрезка (ЭЭОт), вырезание (ЭЭВ), маркирование (ЭЭМ), объемное копирование (ЭЭОК), шлифование(ЭЭШ), доводка (ЭЭД) иэлектроэрозионноеупрочнение (ЭЭУ).

1.2. Сущность процесса электроэрозионной обработки

При описании сущности процесса ЭЭО необходимо ввести следующие понятия [3, 6]:

– межэлектродный промежуток (МЭП) – это пространство между электродом-деталью (ЭД) и электродом-инструментом (ЭИ) при электроэрозионной обработке;

8

–межэлектродный зазор (МЭЗ) – расстояние в рассматриваемом месте межэлектродного промежутка между поверхностями ЭИ и ЭД, перпендикулярными направлению подачи;

–рабочий импульс – импульсный разряд, производящий съем металла вследствие электрической эрозии.

Для осуществления процесса ЭЭО необходимо создать большую концентрацию энергии в зоне разряда. Для достижения этой цели используется генератор импульсов (ГИ). Импульсы тока, сформированные ГИ, подаются на электрод-деталь и электрод-инструмент. Процесс ЭЭО происходит в рабочей жидкости – диэлектрике, которая заполняет МЭП.

Поскольку при ЭЭ-обработке МЭП заполнен жидкой диэлектрической средой, для прохождения импульса тока необходимо, чтобы непроводящий слой РЖ превратился в проводник. В работе [3] явление мгновенного превращения диэлектрика, заполняющего МЭП,

впроводник названо пробоем межэлектродного промежутка, или стримером.

Как известно [1, 2, 3], в любом веществе присутствует некоторое количество свободных носителей заряда (электроны и ионы), существование которых обусловлено рядом внешних факторов (ультрафиолетовое излучение и т.п.). При сближении двух металлических электродов, находящихся под напряжением, носители заряда из-за действия электрического поля начинают равноускоренно перемещаться, в результате чего происходит их соударение с молекулами вещества. После соударения заряженная частица передает часть своей энергии молекуле вещества и теряет скорость. Энергия, которую электрон или ион может передать нейтральной молекуле, зависит от величины напряженности электрического поля [8]:

E = Uδ ,

где E – напряженность электрического поля; U – напряжение между электродами; δ – МЭЗ.

Чем больше величина напряжения, тем больше энергии носитель заряда способен передать встречной молекуле.

9

При некотором значении напряженности на электродах достигается такое состояние, при котором электрон может передавать встречной нейтральной молекуле энергию, достаточную для ионизации, т.е. из молекулы атома жидкости будет выбит хотя бы еще один электрон, который, как и первый, произведет ионизацию. Когда напряженность электрического поля в некоторой зоне МЭЗ превысит критическое значение (т.е. там, где МЭЗ минимален), произойдет лавинообразное нарастание числа новых носителей зарядов, что приведет к перекрытию всего промежутка каналом, состоящим из свободных ионов и электронов и, следовательно, обладающим проводящими свойствами (рис. 1.1), иными словами, образуется стример.

Рис. 1.1. Схема образования канала пробоя

Согласно [1] стример представляет собой плазменный канал, который расширяется в течение действия импульса (рис. 1.2).

В начальный момент времени плазма в канале пробоя не имеет ни радиуса, ни массы. Высокотемпературный канал пробоя излучает энергию, которая поглощается окружающим диэлектриком, так же как и металлическими электродами. Излучение плазмы испаряет

10