Электрические эрозии

Качество обработанной поверхности при электроконтактной обработки зависит от режима обработки и теплофизических констант материала заготовки. Величина рабочего тока — основной фактор, регулированием которого достигается получение поверхности с заданным качеством. Принимая напряжение на межэлектродном промежутке постоянным и равным 26 В, можно выразить зависимость высоты микронеровностей от рабочего тока эмпирическими формулами

Ra = 5,56 I^0,61 или Ra = 0.57 I^0,61,

Где Р-мощность, кВт.

Термическое воздействие разрядов вызывает структурные изменения поверхностных слоев металла. Толщина слоя с измененной структурой также определяется режимом обработки и теплофизическими константами материала заготовки. При обработке деталей из корозийно-стойких и жаропрочных сталей и сплавов глубина тою слоя 0,1—0,3 мм; при обработке деталей из углеродистых сталей 0,3—0,5 мм, из титана 0,5 мм, из отбеленного чугуна 0,2-0,9 мм.

Электроконтактную обработку применяют главным образом на заготовительных операциях и на операциях черновой обработки заготовок с большими    припусками.

 

 

 

 

 

 

 

Рис. 29. Схема отрезки ступицы  колеса:

1 — заготовка;    2 — инструмент

 

 

 

 

 На рис. 29 показана    схема отрезки  ступицы   колеса   электроконтактным  способом.   Электроконтактное     разрезание   заготовок   отличается  высокой      производительностью      ( 2000 мм3/мин).   Отрезку   производят  либо вращающимся диском, либо бесконечной лентой с линейной скоростью движения    инструмента    40—60 м/с (плотность тока до 200 А/см2). Электроконтактная     обдирка   характеризуется большими рабочими токами 2000—3000 А) и высокой производительностью    (до   3000000 мм3/мин )

Упрочнение поверхностного слоя металлов. Одним из преимуществ электроискрового метода обработки материалов является то, что при определенных условиях резко повышаются прочностные свойства поверхности заготовки: твердость, износостойкость, жаростойкость и эрозионная стойкость. Эту особенность используют для повышения износостойкости режущего инструмента, штампов, пресс-форм и деталей машин, упрочняя металлические поверхности электроискровым способом.

При электроискровом  упрочнении применяют обратную полярность (заготовка является катодом, инструмент —анодом) обработку производят обычно в воздушной среде и, как правило, вибрацией электрода. Аппаратура, с помощью которой осуществляется процесс упрочнения, малогабаритна и очень проста в эксплуатации. Основные преимущества электроискрового способа нанесения покрытий заключаются в следующем: покрытия имеют большую прочность сцепления с материалом основы; покрываемой поверхности не требуют предварительной подготовки; возможно нанесение не только металлов и их сплавов, но и их композиций; на ограниченных участках обрабатываемой поверхности возможно проводить сложнейшие микрометаллургические процессы.

Процессы, происходящие   при   электроискровом   упрочнении, сложны и являются предметом тщательных исследований.   Сущность упрочнения состоит в том, что при электроискровом разряде в воздушной среде происходит полярный перенос материала электрода на заготовку. Перенесенный материал   электрода   легирует металл заготовки и, химически соединяясь   с диссоциированным атомарным азотом воздуха, углеродом и материалом   заготовки образует диффузионный износоустойчивый упрочненный слой. В этом в слое возникают сложные химические соединения, высоки стойкие нитриды и карбонитриды, а также закалочные структуры. По мнению специалистов, при электроискровом упрочнении в поверхностном слое, например, стали происходят процессы, приведенные в табл. 14.

 

Таблица 14

Процессы, происходящие в поверхностном слое заготовки  при электроупрочнении.

 

Упрочняемый материал	процесс
	наименование	особенности
Углеродистая сталь, содержащая углерод, в количестве свыше 0,6%,а также легирующие элементы в большом количестве	Сверхскоростная закалка	Кратковременный    нагрев до высокой температуры и мгновенное     охлаждение нагретых  и   расплавленных участков массой холодного металла
Инструментальная сталь	азотирование	Диссоциация атмосферного азота в  разряде с образованием атомарного азота. Соединение азота  с элементами     поверхностного слоя и образование  нитридов    металлов    (титана, хрома, железа и др.).
Малоуглеродистая и легированная сталь	Цементация	Растворение в расплавленном и  высоконагретом металле углерода, электрода  или   окружающей   среды  с образованием  карбидов железа, хрома, титана и др
сталь	Обогащение легирующими элементами	Контактный перенос материала  электрода на заготовку при соприкосновении  их под давлением в расплавленном   состоянии  и газовая   диффузия.   Последующая   диффузия  в поверхностном  слое

 

При электроискровом упрочнении микротвердость белого слоя в углеродистых сталях может быть доведена до 230 МПа, высота микронеровностей обработанной   поверхности   до   Ra = 2,5 мкм. Толщина слоя покрытия, получаемого на некоторых установках,0,003—0,2 мм. При упрочнении поверхностей   деталей машин высокой мощности упрочнения (например, на установлении ИЕ-2М) можно получить глубину слоя упрочнения до 0,5-1,6мм с микротвердостью 50—60 МПа (при упрочнении феррохромом)

 Различают чистую обработку, которая соответствует высоким напряжениям и небольшим значениям токов короткого замыкания (до 20 А), и грубую (глубокое легирование) при низких напряжениях (50—60 В) и токах короткого замыкания свыше 20 А.

4. ОБОРУДОВАНИЕ, СТАНКИ И ИНСТРУМЕНТ ДЛЯ ЭЛЕКТРОЭРОЗИОННОИ  ОБРАБОТКИ

 

Генераторы импульсов. Формирование импульсов тока, подводимых к электродам эрозионного станка, производится с помощи генератора импульсов, питаемого от сети   промышленного тока. Генераторы импульсов можно разделить на два класса: зависимы и независимые. К первым относятся такие генераторы, в которых создание импульсов напряжения и тока осуществляется при участии межэлектродного промежутка. Во вторых электрические пульсы создаются без участия межэлектродного промежутка. Они формируются в генераторе и подводятся к межэлектродному промежутку для обеспечения эффекта эрозии. Зависимые генераторы используют при электроискровом методе обработки, независимые генераторы применяются при электроимпульсном методе. В современных электроэрозионных станках используют много различных генераторов импульсов. Ниже рассмотрены некоторые из них.

 Генератор типа RC.   Сокращенное  название  схемы   генератора происходит от обозначения основных ее элементов: резистор R и емкости — С. Генератор получил   широкое   распространение вследствие простоты и надежности (релаксационными   называются генераторы, энергия которых накапливается в реактивных элементах цепи — конденсаторе или индуктивной катушке). Накопительный конденсатор 2 (рис. 30) заряжается от источника постоянна тока напряжением 100—200 В через токоограничительный резистор 1. Межэлектродный промежуток 3 включен параллельно конденсатору. По мере заряда конденсатора напряжение на его обкладках и между электродами эрозионного промежутка увеличивается. При достижении   пробивного   напряжения   Uпр   происходит   пробой межэлектродного промежутка, и запасенная в накопительном конденсаторе энергия выделяется в виде короткого импульса большой мощности, вызывая эрозию электродов.

 

 

Рис. 30. Генератор типа RC:

а-схема; б — график изменения напряжения на электродах и силы тока в межэлектродном

промежутке.

 

 

 

 При разряде конденсатора  напряжение на межэлектродном промежутке уменьшается довеличины, при которой разряд между электродами не может поддерживаться. Сопротивление межэлектродного промежутка резко увеличивается, ток быстро уменьшается и прекращается совсем. Электродный промежуток восстанавливает свои диэлектрические свойства; начинается зарядка накопительного  конденсатора.процесс повторяется с частотой, зависящей от параметров расстояния между электродами и качества жидкого диэлектрика. Изменяя   величину   токоограничивающего   резистора, можно менять частоту следования импульсов и энергию, передаваемую в межэлектродный промежуток. Частоту импульсов можно определить по следующей формуле:

 При некотором   критическом   сопротивлении резистора паузы между отдельными импульсами исчезают, и заряд из искрового переходит в дуговой. Размерная обработка в этом случае невозможна. Между напряжением источника питания, напряжением пробоя и напряжением горения дуги должно соблюдаться соотношение.

Достатком генератора типа RC следует отнести низкий КПД (около 35%), наличие больших пауз между импульсами (скважность10 —100), значительное влияние состояния среды межэлектродного промежутка на характеристику электрических импульсов.

Генератор типа RLC. Схема генератора RLC представляет собой дальнейшее развитие схемы RC. Для повышения эффективности действия генератора в цепь заряда конденсатора включена индуктивность L (рис. 31, а). Введение индуктивности изменяет форму напряжения зарядки конденсатора (рис. 31, б). В начале процесса зарядки напряжение растет медленнее, чем в схеме без индуктивности, что благоприятно сказывается на процесс восстановления диэлектрической прочности межэлектродного промежутка. Поэтому удается повысить частоту разрядов, не опасаясь перехода импульсного процесса в дуговой. Далее напряжение зарядки растает, и процесс зарядки при наличии индуктивности в заканчивается быстрее, чем без нее. К этому времени электрическая прочность межэлектродного промежутка полностью восстанавливается. Благодаря наличию индуктивности   конденсатор оказывается заряженным до напряжения, значительно превышающего напряжение источника питания (эффект последовательном включения в цепь индуктивности и емкости).

 

 

 

 

 

Рис. 31. Генератор типа RLC:

а — схема; б — график изменения напряжения на электродах и силы тока в межэлектродном промежутке

 

 

 Величину индуктивности, вводимой в цепь заряда, выбирают по формуле L = 0,25R²C Включение индуктивности в цепь зарядного контура генератор импульсов повышает КПД и интенсивность   съема   металла   и 20—40% по сравнению с генераторами типа RC.

Генератор типа LC. В практике электроэрозионной обработки используют также LC-генератор, в зарядном контуре которого отсутствует резистор. Потери энергии в зарядной цепи такого генератора существенно меньше. Подобный генератор без дополнительных устройств, стабилизирующих   процесс   зарядки-разрядки разрывающих дугу, оказывается   неработоспособным.   Наиболее просто стабилизация процесса может быть достигнута с помощью электромагнитного вибратора, обмотку которого используют в качестве   индуктивности   зарядного   контура.     Такое   устройство заставляет электрод автоматически совершать колебательные движения, управляя процессом.

 

 

 

 

 

 

Рис. 32. Генератор типа LC

 

 

 При включении схемы   от  источника питания через обмотку 1 вибратора (рис. 32) потечет зарядный MI конденсатора 3. Постепенно возрастая,   ток   притянет   якорь электромагнитного вибратора и поднимет электрод, что увеличит межэлектродный промежуток 4. Через некоторое время зарядим ток конденсатора (и ток через обмотку электромагнитного вибратора), а также   сила притяжения якоря   уменьшаться   и   электроды начнут сближаться. К этому времени напряжение на конденсаторе возрастет    до    величины,    почти в 2 раза превышающей   напряжение источника    питания, и, когда промежуток   между    электродами 1 станет достаточно мал, произойдет разряд конденсатора через этот промежуток. Затем цикл работы повторится, и процесс будет идти с частотой, определяемой в основном величинами L и С.

Генераторы, выполненные по описанной схеме, работают достаточно устойчиво. Однако при значительной глубине обработки случайное короткое замыкание может вызвать появление дуги, которая будет разорвана автоматическим регулятором станка лишь после полного извлечения электрода из обрабатываемого отверствия за это время заготовка может быть испорчена. Во избежание такого явления обычно применяют быстродействующий выключатель 5, который при коротком замыкании отключает на небольшой период времени генератор от источника питания, ликвидируя короткое замыкание.

Машинные генераторы импульсов. Рассмотренные выше генераторы вырабатывают импульсы относительно малой длительности. Применение импульсов значительной длительности позволяет существенно увеличить производительность обработки   на   единицу мощности и уменьшить износ электродов-инструментов. Импульсы параметров могут создавать   специальные   электрические имя — машинные генераторы импульсов.   Как   правило,   эти генераторы вырабатывают импульсы с частотой повторения 400-2000 имп/с длительностью от долей миллисекунды до миллисекунды. По принципу работы машинные генераторы можно разделить на коммутаторные (коллекторные) и индукторные (бесколлекторные). В коммутаторных электрических генераторах выпрямление знакопеременного импульсного напряжения осуществляется с помощью механического коммутатора, встроенного  в машину. Краткие технические характеристики некоторых коммутаторных генераторов импульсов приведены в табл. 15.

Таблица 15

Техническая характеристика коммутаторных генераторов импульсов

 

Параметры	МГИ-2М	МГИ-3М	МГИ-4
Частота импульсов, Гц Средняя сила тока, А Среднее напряжение холостого хода, В Мощность  приводного электродвигателя, кВт Скважность  на холостом ходу	400 100 25 7 2,8	400 360 25 28 3,2	400 600 30 40 2,8