4.8. Электрофизические методы обработки

Электрофизические методы обработки относятся к физико-химическим методам размерной обработки (ФХО) материалов, которые обеспечивают съем обрабатываемого материала в ре­зультате физико-химических процессов. По механизму разрушения и съема материала все физико-химические процессы обработки подразделяют на три группы: электрофизические методы обработки (ЭФО), электрохимические методы обработки (ЭХО) и комбинированные. Каждый из методов ФХО обладает уникальными технологическими возможностями, но все они более энергоемки и менее производительны в сравнении с методами механообработки. Поэтому использование методов ФХО оправдано только в следующих случаях:

- для обработки конструкционных материалов, имеющих низкую обра­батываемость лезвийным и абразивными инструментами, в том числе высо­колегированных сталей, твердых сплавов, ферритов, керамики, полупровод­ников, ситаллов и др.;

- для обработки деталей сложной геометрической формы из труднооб­рабатываемых материалов (пресс-формы, детали лопаток турбин и т. п.);

- для обработки миниатюрных тонкостенных нежестких деталей, а так­же деталей сложной формы с пазами и отверстиями.

Основным видом ЭФО является электроэрозионная обработка(ЭЭО), которая основана на использовании явления элек­трической эрозии — разрушения материала электродов при электрическом пробое межэлектродного промежутка. На рис.4.15 приведена схема процесса ЭЭО.

Рис.4.15 Условная схема процесса ЭЭО: 1- электроинструмент; 2 — заготовка; 3 — генератор элек­трических импульсов, 4 — электрический разряд; 5 — газовый пузырь; б — продукты эрозии (шлам); 7 — эрозионная лунка; 8 — рабочая жидкость; 9 —изолятор

Размерная ЭЭО заключается в изменении фор­мы, размеров, шероховатости и свойств поверхности заготовки путем съема материала припуска за счет управляемого процесса электрической эрозии. Изолированный электрод-инструмент 1 и обрабатываемая заготовка 2 погружены в рабочую диэлектрическую жидкость и соединены с генератором электрических им­пульсов 3. Между электродом и деталью электрическим пробоем межэлек­тродного промежутка (МЭП) возбуждается импульсный разряд 4, который мгновенно нагревает микроучастки электродов и контактирующую с ними жидкость. В результате в зоне разряда формируется газовый пузырь 5. В конце каждого импульса происходит схлопывание пузыря. При этом продук­ты эрозии — шлам — в виде гранул 6 удаляются из МЭП рабочей жидкостью 8, а на поверхности электрода-заготовки образуется эрозионная лунка 7. За вре­мя паузы происходит восстановление электрической прочности МЭП до исходного значения. Затем, при подаче следующего импульса напряжения, весь процесс повторяется, но пробой происходит уже там, где напряжен­ность примет максимальное значение, — в зазоре между наиболее близкими микровыступами поверхности заготовки и инструмента. Процесс эрозии заготовки продолжается до полного удаления металла, находящегося на расстоянии электрического пробоя (0,01—0,15 мм),

Для обеспечения непрерывности процесса съема припуска величина МЭП должна оставаться неизменной, для чего скорость главного движения электрода в направлении обработки Dr должна соответствовать скорости эрозии элек­тродов.

При многообразии кинематических схем ЭЭО все схемы условно можно распределить на три группы.

1. Получение требуемой формы и точности поверхности заготовки ко­пированием формы профильного инструмента, представляющего собой об­ратное отображение формы детали. По этой схеме электрод-инструмент вне­дряется в заготовку при поступательном перемещении по мере электроэро­зии металла заготовки. Эта схема наиболее широко применяется в практике ЭЭО. Операции, выполняемые по первой схеме, называются копировально-прошивочными (рис.4.16 а, б, в).

2. Заданная форма детали обеспечивается взаимным перемещением за­готовки и непрофилированного инструмента. По этой технологической схе­ме ЭЭО производят с использованием в качестве электрода-инструмента проволоку или металлический вращающийся диск (рис.4.16. г, д ).

3. Получение требуемой формы обеспечивается взаимным перемещением профилированного инструмента и заготовки. Эти операции получили наимень­шее распространение. Они используются для правки фасонных электроалмазных кругов, изготовления фигурных канавок и шлифования (рис. 4.16 е).

Применяемый при ЭЭО разряд возбуждается электрическим пробоем. Элек­трический пробой при подаче импульса напряжения 50—250 В происходит ме­жду микровыступом электрода-заготовки и обработанной поверхностью элек­трода-инструмента. В результате при ЭЭО разрушаются именно выступы, вы­равнивая поверхность заготовки по всему межэлектродному зазору. По форме импульсы подразделяются на знакопеременные; асиммет­ричные; униполярные синусоидальные; униполярные прямоугольные; уни­полярные гребенчатые.

По схеме подключения электродов различают обработку на прямой по­лярности, когда инструмент подключен к «-» источника, и на обратной по­лярности, когда к «-» источника подключена заготовка.

Рнс. 4.2. Кинематические схемы процессов ЭЭО:

а — копирование; б — прошивание полостей с прямой осью; в — прошивание отверстий с криволинейной осью; г — отрезка вращающимся диском; д — отрез­ка проволокой (лентой); е — шлифование; 1- обрабатываемая деталь; 2 — ин­струмент; 3 — подача рабочей жидкости

Используемые форма импульса и полярность сильно сказываются на ха­рактере разрушения электродов. Симметричные знакопеременные импульсы вызывают одинаковую эрозию электродов из одного материала. Униполяр­ный импульс (импульс одной полярности) обеспечивает преимущественное разрушение одного из электродов. Обычно наибольшая эрозия заготовки отмечается при воздействии униполярного импульса прямой полярности. На практике широко используются и знакопеременные асимметричные импуль­сы. В этом случае различают два полупериода процесса — рабочий на прямой полярности с максимальным током и холостой на обратной полярности с минимальным током, что обеспечивает высокую эрозию заготовки и не­значительную эрозию инструмента. 1

Обрабатываемость различных материалов при электроэрозионной обработке оценивается коэффициентом обрабатываемости. Числовое значение коэффициента обрабатываемости равно, как и при обработке реза­нием, отношению экспериментально установленной скорости съема данного материала к скорости съема стали 45 при тех же параметрах ЭЭО. Коэффи­циент обрабатываемости стали 45 принимается за единицу, тогда коэффици­ент обрабатываемости составляет: для жаропрочных и нержавеющих сталей — 1,4; для алюминия — 2,4; для меди — 0,9; для титана — 0,6; для вольфрама — 0,5; для твердых сплавов — 0,3.

Сопутствующим явлением при ЭЭО является разложение рабочей жидкости под действием высоких температур — пиролиз. В жидких углеводородах, имеющих температуру кипения 150—200 °С, в зоне дугового разряда образуются пары. При соприкосновении паров с нагретыми участками электродов происходит разложение паров с осаждением на по­верхности углерода и выделением водорода. Взаимодействуя с поверхностя­ми электродов, углерод и водород могут оказывать как положительное, так и отрицательное влияние. Так, взаимодействие с обрабатываемой поверхно­стью детали ведет к изменению химического состава поверхностного слоя, что в большинстве случаев нежелательно. В то же время взаимодействие с поверхностью инструмента ведет к образованию на его поверхности слоя пирографита, компенсирующего его эрозию в процессе обработки. Это явле­ние используется для повышения стойкости инструмента.

Профи­лированный электрод инструмент задает конфигурацию обрабатываемой поверхности детали. Материал электрода-инструмента должен обладать высокой эрози­онной стойкостью, прочностью, малым омическим сопротивлением и высо­кой обрабатываемостью методами резания.

Эрозионный износ электрода при ЭЭО не является локальным, как при механической обработке, а охватывает всю рабочую поверхность и оценива­ется отношением израсходованного объема электрода к объему удаленного металла.

В качестве материала для электродов при обработке высокоуглероди­стых инструментальных сталей и жаропрочных сплавов на никелевой основе рекомендуются графит, медь и композиционный материал МНБ-3 (9,7% ме­ди и 3% нитрида бора). Наименьшему износу подвержен медный электрод, так как его электроэрозия компенсируется углеродом, откладывающимся в результате пиролиза углесодержащих рабочих жидкостей. Для удаления шлама из МЭП в электроде изготавливается необходимое число отверстий. Удаление осуществляется прокачкой или отсосом рабо­чей жидкости из зазора.

В качестве непрофилированного инструмента при ЭЭО наибольшее распространение получили медные или латунные диски и тонкая проволока диаметром 0,02—0,3 мм из меди, латуни, вольфрама и молибдена. Для обеспечения точности обработки и снижения износа проволока-электрод в процессе обработки перематывается с одной бобины на другую, испытывая усилие растяжения.

В качестве рабочих жидкостей используют низкомолекулярные углево­дороды различной вязкости (керосин, индустриальное масло И12А, транс­форматорное масло и их смеси), воду, кремнийорганические жидкости и водные растворы двухатомных спиртов.

Для уменьшения коррозии электродов в воду добавляют 4% кальцинированной соды. Повышение технологических свойств обеспечива­ется введением поверхностно-активных веществ (ПАВ), например компози­ций элементорганических соединений Ва, Са и ароматических веществ.

Таблица 4.5

Режимы обработки и производительности ЭЭО

Название режима	Частота, кГц	Средний ток, А	Производительность, см /мин
Черновой Получерновой Чистовой Доводочный	8 22—24 66—100 440	35—45 30—35 25—20 10—15	12000 200—300 5—30 1-5

Шероховатость по­верхности определяется электрическими и гидравлическими параметрами процесса. Шероховатость Rz зависит от размера лунки и степени перекрытия лунок. Следовательно, условия получения минимальной шероховатости требу­ют ведения процесса на повышенных частотах с минимальной энергией им­пульса. Помимо того, шероховатость поверхности зависит от концентрации шлама в межэлектродном зазоре, определяемой эффективностью его удале­ния рабочей жидкостью. При работе на мягких режимах с малыми зазорами эффективно удаляют шлам жидкости с низким значением вязкости (типа ке­росина).

Структура и состав поверхностного слоя обусловлены тепловым воздействием электрического разряда, а также химическими воз­действиями плазмы разряда и рабочей жидкости. В результате теплового воздействия поверхность оплавляется и в поверхностном слое возникают остаточные напряжения растяжения с максимумом на поверхности детали, металл претерпевает наклеп и структурные изменения. Возможно насыщение его компонентами, входящими в состав материала инструмента, и компонентами, содержащи­мися в рабочей жидкости. Микротвердость поверхностного слоя металла возрастает. Глубина слоя, иногда называемого дефектным слоем, зависит от теплофизических свойств обрабатываемого металла, шероховатости поверхности и режима обработки.

Таблица 4.6

Качество поверхности при ЭЭО

Тип обработки	Режим ЭЭО	Шероховатость поверхности	Глубина дефектного слоя	Уровень остаточных напряжений
Черновая Чистовая Отделочная	Жесткий Средний Мягкий Очень мягкий	Rz 80-320 Rz 20-40 Ra 0,8-1,6 Ra 0,2-0,4	0,3-0,2 0,2-0,1 0,1-0,05 0,05-0,001	Высокий Средний Низкий Очень низкий

Процесс следует проводить за несколько проходов. При первом, черно­вом, проходе на жестком режиме снимается до 90% припуска, а последую­щие чистовые проходы на мягких и очень мягких режимах обеспечивают высокую точность, низкую шероховатость и высокое качество поверхности. Черновая и чистовая обработки ведутся сменным инструментом, точность чистового инструмента должна быть на 1—2 класса выше требуемой точнос­ти обработки детали.

Специфический характер геометрии поверхностей, а также возможность управления толщиной упрочненного слоя обусловили отличие эксплуатационных свойств поверхностей, обработанных ЭЭО. Так, износостойкость по­верхности из-за удерживания масла совокупностью лунок и наличия упроч­ненного слоя выше, чем при механической обработке. Усталостная проч­ность детали зависит от толщины упрочненного слоя и при обработке на средних и мягких режимах несколько выше, чем деталей, полученных реза­нием при одинаковой чистоте поверхности, что можно объяснить меньшей толщиной дефектного слоя. Коррозионная стойкость поверхностей, полу­ченных на средних режимах, аналогична стойкости при механической обра­ботке резанием. Она возрастает при обработке на мягких режимах, но сни­жается при обработке на грубых режимах.

Технологические операции ЭЭО. Заготовительные операции используют для получения заготовок из молибдена, вольфрама, нике­левых сплавов, сплавов на основе титана, металлокерамики, нитинола и дру­гих труднообрабатываемых материалов.

Отрезку заготовок из проката и металлокерамики выполняют дисковы­ми ЭИ из меди, латуни. Разрезание точных малогабаритных заготовок вы­полняют на вырезных станках.

Прошивание отверстий на глубину до 20 диаметров выполня­ют стержневым ЭИ, до 40 диаметров — трубчатым ЭИ, при прошивке жела­тельно вращать ЭИ.

Формирование рабочих полостей штампов, пресс-форм и вырубных штампов. Обычно ЭЭО штампов выполняют по­сле операции фрезерования, обеспечивающей съем основной массы металла. Штампы после ЭЭО имеют повышенную износостойкость по сравнению со штампами, изготовленными обработкой резанием.

Прямое и обратное копирование позволяет изготавливать пуансон по изготовленной матрице и наоборот, что значительно упрощает технологию их изготовления и исключает слесарную доводку. Обработка по методу ко­пирования ведется на копировально-прошивочных станках с ЧПУ.

Обработка криволинейных каналов газовых тур­бин аэродинамического профиля осуществляют прошивкой с криволиней­ной осью.

Вырезание используют при изготовлении деталей электронной тех­ники, вырубных штампов, шаблонов, лекал, фасонных резцов и т. д. Обра­ботка ведется на вырезных станках проволокой.

Изготовление сеток, решеток и пазов проводят методом копирования групповым ЭИ, одновременно обрабатывая до 800 отверстий и более диаметром 0,2—2,0 мм, глубиной 2 мм с точностью ±0,002 мм.

Электроэрозионное шлифование применяют при чистовой обработке наружных и внутренних поверхностей труднообрабатываемых материалов, магнитных и твердых сплавов и т. п. Точность и качество поверхности при обработке на чистовых и доводочных режимах соответствуют чистовым режимам, выполняемым шлифованием. При этом зона термического влияния при доводочных режимах не превышает 0.003 мм.

В зависимости от длительности импуль­са, вырабатываемого источником тока» и способа его формирования различают электроискровой, электроимпульсный и электроконтак­тный способы обработки.

К достоинствам электроэрозионной обработки относятся: возмож­ность обрабатывать токопроводящие материалы любой твердости, вязкости, хрупкости; возможность обрабатывать заготовки сложных форм, даже таких, которые невозможно получить другими способами (например, прошивание отверстий с криволинейной осью); отсут­ствие необходимости в высокой прочности и твердости инструмента; отсутствие механических воздействий на заготовку и инструмент; возможность получать поверхности с различными параметрами ка­чества; значительное снижение трудоемкости обработки сложных поверхностей заготовок из труднообрабатываемых материалов. К недостаткам электроэрозионной обработки можно отнести: об­ратную зависимость между производительностью и качеством обра­ботанной поверхности; необходимость вести обработку при погру­жении заготовки в жидкость; относительно низкую производитель­ность при обработке материалов невысокой твердости (сталь, цвет­ные сплавы). Удаление материала при размерной электрохимической обра­ботке происходит под действием электрического тока в среде элек­тролита без непосредственного контакта между инструментом и заготовкой. В основе этого процесса лежит явление анодного рас­творения металлов в движущемся (проточном) электролите.

Для чистовой обработки, осуществляемой обычно в электроиск­ровом режиме, чаще всего используют инструменты из обычной и пористой меди, латуни. Для черновых операций, выполняемых в электроимпульсном режиме, для изготовления электродов-инстру­ментов применяют; графитовые и медно-графитовые композиции, алюминий, цинковые сплавы. Для изготовления мелких отверстий часто используют инструменты из вольфрама или молибдена, ко­торые обладают высокой абразивной стойкостью, но дороги. Для электроконтактной обработки применяют инструменты из меди, латуни, чугуна или стали. Серый чугун имеет удовлетворительную эрозионную стойкость при обработке на всех режимах.

Для каждого вида об­работки применяют оптималь­ные диэлектрические среды. Так, при электроэрозионной об­работке с малой энергией им­пульса высокую производи­тельность обеспечивает дистил­лированная и технически чистая вода, при грубых режимах (электроимпульсная обработка) применяют масла.

В процессе обработки рабочая среда загрязняется, что снижает производительность. Допусти­мая загрязненность для черно­вых режимов — 4,..5% по мас­се, а для чистовых — 2...3%. При электроконтактном режиме импульсы тока формируются непосредственно в промежутке между инструментом и заготовкой вследствие их относительного движения и наличия микровыступов на рабочей поверхности инструмента. Напряжение применяемого источника постоянного или переменного тока и = 1...20 В.

Параметр шероховатости Rа поверхности, обработанной в элек­троискровом режиме, для сталей равен 0,3...0,6 мкм, а для твердых сплавов — 0,2...0,3 мкм. После обработки в электроимпульсном режиме Rа = 5...10 мкм. При электроэрозионном шлифовании в жидкости Rа = 0,5...0,8 мкм, а на воздухе (обдирочное) Rа = = 36...100 мкм. При разрезании Rа = 20...50 мкм.

Глубина измененного (дефектного) подповерхностного слоя за­висит от вида и режима электроэрозионной обработки. При пред­варительной (электроимпульсной) обработке она равна 0,1...0,4 мм, при чистовой (в электроискровом режиме) — 0,004. ..0,1, при шли­фовании в жидкости — 0,005...0,08, при разрезании в жидкости — 0,05...0,1, при электроконтактной обработке на воздухе — 1...5 мм.

Точность изготовления деталей в электроискровом режиме про­фильным электродом-инструментом достигает 6-го, 7-го квалитетов, не профилированным — 5-го, б-го квалитетов; в случае применения электроимпульсного режима точность изготовления соответствует 9-11-му квалитетам; при электроконтактной обработке в жидкой среде получаются 7-й, 8-й квалитеты, а при обработке на воздухе — 16-й, 17-й квалитеты точности.

При прошивании и разрезании размеры инструмента зависят от размера заготовки с учетом зазора. Боковой зазор зависит от энергии импульсов, материала электродов, состава и направления движения рабочей среды. В черновых режимах боковой зазор 0,005...0,5 мм, а в чистовых — 0,005...0,05 мм. При прошивании полостей торцовый зазор получается меньше бокового.