6.6.13. Электроэрозионновибрационный метод

По [131] используются низкочастотные колебания инструмента (обычно с частотой 50 Гц) при амплитуде 0,02-0,05 мм в направлении подачи инструмента при прошивке углублений (особенно некруглого сечения, где невозможно вращение инструмента). Колебания позволяют повысить интенсивность процесса, ускорить замену рабочей среды в зоне обработки, интенсифицируют прокачку жидкости через межэлектродное пространство.

В [106] приведен способ интенсификации электроэрозионной обработки непрофилированным проволочным инструментом с помощью ультразвуковых колебаний, направляемых на рабочую жидкость или на проволочный инструмент.

Для этого использовался излучатель от ультразвукового паяльника, имеющий следующие технические характеристики:

• частота следования импульсов, кГц – 18;

• мощность, Вт – до 300;

• амплитуда, мкм – 3-5.

Режимы ультразвуковой очистки позволяют поддерживать: направление амплитуды колебаний вдоль проволоки; настройку концентратора на максимальную амплитуду; зазор между концентратором и заготовкой в пределах 0,5-2 мм. Выбор мощности излучателя производится по рекомендациям табл. 6.20.

Таблица 6.20. Мощность излучателей (Вт)

при обработке углеродистых сталей

(расстояние от заготовки 0,8 мм,

материал проволоки – латунь)

Толщина заготовки, мм	Диаметр проволоки-инструмента, мм
	0,1	0,2	0,3
до 10	60	40	30
10-20	80	65	45
20-25	100	80	60
25-30	120	95	80
30-35	150	120	110

В [127] приведены сведения об интенсификации профильной прошивки отверстий, пазов в различных сплавах ультразвуковыми колебаниями. Приведены режимы обработки при наложении колебаний на заготовку:

Длительность импульса, мкс	- до 30
Частота колебаний, кГц	- 18
Амплитуда колебаний, мкм	- 1-2
Сила тока в импульсе, А	- до 5
Рабочая среда	- керосин

В качестве ограничения приведена площадь обрабатываемой поверхности – не более 0,5 мм².

В том же источнике даны рекомендации по электроэрозионному ультразвуковому полированию изделий из керамики короткими импульсами длительностью 0,1-1,0 мкс, где управление электроэрозионным процессом происходит по сигналам от ультразвукового источника колебаний.

6.6.14. Электрохимикоультрозвуковой метод

С появлением тепловых двигателей, имеющих детали из керамики (диэлектрика), возникла проблема изготовления в них отверстий различного сечения. Современные способы механической и лучевой обработки в некоторых случаях позволяют получить отверстия с глубиной не более 100 диаметров. Особые сложности вызывает формообразование некруглых или криволинейных каналов, особенно имеющих большую (свыше 100 диаметров) глубину.

Опыт получения отверстий в инструменте из керамики и в металлических деталях показал, что эта операция может быть осуществлена путем удаления, например, химическим травлением, металлических вставок, заложенных в заготовку перед ее прессованием. Если сечение вставок менее 1 мм², то процесс их удаления протекает медленно и может полностью прекратиться из-за отсутствия свежего травителя в зоне обработки.

По а.с. 944850 предложен способ комбинированного изготовления отверстий путем анодного растворения вставок с наложением ультразвуковых колебаний. Получены положительные результаты изготовления отверстий с диаметром от 0,008 мм и глубиной до 800 диаметров.

Сущность способа поясняется рис. 6.38.

Рис. 6.38. Схема обработки глубоких отверстий анодным

растворением при ультразвуковом облучении рабочей зоны

1 – заготовка из диэлектрика или металла, полученная спеканием порошка; 2 – инструмент – катод; 3 – металлическая вставка. В случае металлической заготовки вставка должна быть покрыта по длине слоем диэлектрика 8 (например, керамической эмалью); 4 – ультразвуковой излучатель (типа ультразвуковой сирены); 5 – токоподвод; 6 – электролит в зазоре (S) между заготовкой 1 и инструментом 2; 7 – привод вращения заготовки; 9 – диэлектрическое покрытие (для металлической заготовки)

Спеченную или отформованную заготовку (рис. 6.38) с металлическими вставками, имеющими участки для подвода тока от источника тока (например, импульсного), устанавливают относительно инструмента так, чтобы отверстия в нем могли совпадать при вращении заготовки со вставками, а пучок ультразвуковой энергии от излучателя проходил в момент противостояния к вставке и захватывал ее сечение. Межэлектродный зазор (S) выбирают в пределах, рекомендованных для ЭХО (раздел 6.3). При подаче постоянного или импульсного тока происходит процесс анодного растворения вставок (поверхность металлической заготовки со стороны инструмента должна быть защищена диэлектрическим покрытием), который при любой скорости прокачки электролита быстро затухает из-за прекращения выноса продуктов обработки. За счет вращения заготовки каждое отверстие в инструменте занимает положение, соосное вставке, и в этот момент от командоаппарата поступает сигнал на подачу в зону обработки ультразвукового луча высокой интенсивности, ограниченного наружным профилем отверстия в заготовке. Происходит резкое вскипание жидкости в углублении отверстия и выброс продуктов обработки в межэлектродный зазор (S), откуда они уносятся потоком электролита. Обработанная часть отверстия заполняется свежим электролитом, заготовка перемещается от отверстия в инструменте. Далее происходит последующий цикл анодного растворения вставки, определяющей форму и размеры отверстия в детали.

При соотношении глубины отверстия к его диаметру менее 60-70 формообразование может происходить достаточно интенсивно даже без наложения ультразвуковых колебаний за счет анодного растворения металла вставки при обычных режимах, а продукты обработки удаляются из отверстия действием газовых пузырей, образующихся при электролизе, а также за счет капиллярных и электроосмотических явлений.

Здесь время обработки  определяется по зависимости

, (6.115)

где  - электрохимический эквивалент материала вставки;

 - плотность материала вставки;

L – длина вставки;

S₀ – начальный зазор между поверхностью вставки и инструментом.

Процесс формирования отверстия протекает в несколько этапов: первоначально формируется торцевая поверхность вставки (образуется выпуклая сфера). На этом этапе для прямоугольной вставки время обработки может быть рассчитано по формуле

, (6.116)

где а, в – длина (по координате х) и ширина (по координате y) вставки;

j – плотность тока на торцевой поверхности вставки.

Для отверстий с глубиной до 1 диаметра начальный этап растворения не оказывает заметного влияния на общее время обработки, а далее зазор можно рассматривать как плоскопараллельный и рассчитывать общее время обработки по формуле (6.115) без учета начального участка. Эвакуация продуктов обработки протекает за счет смачивания боковой поверхности отверстия электролитом, который выдавливает газовые пузырьки и шлам из зоны растворения вставки.

По мере углубления отверстия силы, возникающие за счет капиллярных и электроосмотических явлений, становятся недостаточными для удаления продуктов обработки, и процесс затухает.

Из анализа процесса формообразования отверстий без наложения ультразвуковых колебаний вытекает полезная технологическая рекомендация: изготовление таких отверстий целесообразно выполнять при нижнем положении обрабатываемой поверхности, располагая ее над катодом при струйной подаче электролита в зону обработки.

Если отверстие имеет глубину более 70 диаметров, то до соотношения этих величин близкого к 100 осуществить процесс анодного растворения удается за счет воздействия ультразвуковых колебаний на электролит в ванне.

Режимы такого воздействия будут зависеть от диаметра или меньшего размера сечения отверстия. Условием интенсивного протекания процесса можно считать свободный выход из зоны обработки образующихся газовых пузырей, диаметр которых по [39] составляет

, (6.117)

где  – поверхностное натяжение на границе фаз;

Р_n – давление насыщенного пара;

Р_А – давление от воздействия ультразвуковых колебаний, Р_А= (здесь J – интенсивность ультразвуковых колебаний, с – удельное акустическое сопротивление ( - плотность среды, с – скорость звука в обрабатываемом материале).

ВеличинаJ оценивается по формуле

J= с²А², (6.118)

где  - угловая (круговая) частота колебаний;

А – амплитуда колебаний.

Угловая частота находится через линейную (f) величину. По [65]

. (6.119)

Здесь  - показатель политропы;

k – коэффициент потерь;

dотв – диаметр отверстия в детали;

 - плотность среды;

Р_о – атмосферное давление.

Для получения стабильного процесса обработки отверстий необходимо выполнить соотношение d_n(0,80,85)d_отв, где d_n – диаметр отверстия в инструменте.

Тогда из совместного решения уравнений (6.117 – 6.119) находят режим ультразвуковых колебаний, используемых при изготовлении отверстий.

Эффективность колебаний, накладываемых на электролит, снижается по мере углубления отверстия (снижается коэффициент полезного использования ультразвуковой мощности, начинается бурное кипение электролита с образованием газовых пузырей, закупоривающих отверстие и др.). Поэтому при соотношениях глубин к диаметрам свыше 100 требуется локальное воздействие ультразвуковых колебаний, их интенсивность не должна превышать некоторой предельной величины, при которой возникает разрушение детали (в частности, хрупкой керамики). В случаях изготовления особо глубоких отверстий зона около них со стороны озвучивания должна быть защищена вязким материалом или защитной маской. Для большинства материалов обработка без защитной маски возможна до глубины 250-300 диаметров, где выполняется критерий Р_А[_м] ([_м] – предел прочности материала заготовки). Для конкретных материалов характеристики находят по зависимостям (6.117 – 6.119) с учетом приведенного критерия.

При локальном воздействии ультразвуковых колебаний влияние капиллярных и электростатических факторов несущественно, а располагать излучатели удобнее над ванной с электролитом, поэтому обработка глубоких отверстий выполняется с расположением инструмента над заготовкой.

Расчет режимов для отверстий с глубиной более 100 диаметров для импульсной ЭХО выполняют по следующей методике:

1. Находят окружную скорость вращения заготовки на диаметре отверстия

, (6.120)

где L – расстояние по диаметру между соседними отверстиями;

Т – период между импульсами тока ( , где – частота следования импульсов тока);

K – коэффициент кратности следования импульсов (количество импульсов, подаваемых источником в период совпадения осей соседних отверстий на инструменте и вставке).

2. Рассчитывают время паузы импульсного тока

, (6.121)

где d_изл – диаметр активной зоны излучателя на границе заготовки.

Ультразвуковой излучатель может быть как с непрерывным, так и с импульсным излучением. Для получения глубоких (до 800 диаметров) отверстий рекомендуются следующие режимы:

Напряжение на заготовке и инструменте, В:

- при постоянном токе – 8 - 15

- при импульсном – до 30

Частота импульсного источника питания, Гц – 8–12.