Электроискровой станок своими руками. Самодельные электроэрозионные станки

Для получения элементов со сложным профилем из труднообрабатываемых металлов используется электроэрозионный станок. Его работа основана на воздействии разрядов электрического тока, которые создают в зоне обработки высокую температуру, из-за чего металл испаряется. Такой эффект именуется электрической эрозией. Промышленность уже больше 50 лет использует станки, работающие по этому принципу.

Виды оборудования и методы обработки

Описать работу электроэрозионного станка можно так : взять заряженный конденсатор и поднести его электродами к металлической пластине. Во время короткого замыкания происходит разряд конденсатора. Яркая вспышка сопровождается выходом энергии (высокой температуры). В месте замыкания образуется углубление вследствие испарения некоторого количества металла от высокой температуры.

На технологическом оборудовании реализованы различные виды получения электрических разрядов. Среди основных схем выделяются:

электроискровая;
электроконтактная;
электроимпульсная;
анодно-механическая.

Реализуя одну из схем на практике, изготавливают станки . На принципе электрической эрозии были выпущены следующие станки в разных модификациях:

вырезной;
проволочный;
прошивной.

Для получения точных размеров и автоматизации процесса оборудование комплектуется числовым программным управлением (ЧПУ).

Электроискровой станок работает за счет искрового генератора. Генератор - это накопитель энергии, который дает электрический импульс. Для постоянной подачи импульсов организуется конденсаторная батарея.

Чтобы организовать электрическую цепь, катод подключают к исполнительному инструменту, а анод - к обрабатываемой детали. Постоянное расстояние между электродом и деталью гарантирует однородность протекания процесса. При вертикальном опускании электрода на деталь происходит прошивка металла и образование отверстия, форма которого задается формой электрода. Так работает электроэрозионный прошивной станок.

Для изготовления деталей из твердосплавных и труднообрабатываемых деталей используется электроэрозионный проволочный станок. В качестве электрода в нем выступает тонкая проволока. При испарении металла на поверхности обрабатываемой детали образуются окислы, обладающие высокой температурой плавления. Для защиты от них процесс проводят в жидкой среде или масле. Во время искрообразования жидкость начинает гореть, забирая кислород и другие газы из рабочей зоны.

Станки такого типа иногда бывают единственно возможным способом изготовления конструкционного элемента. Но покупка оборудования для электроэрозионной обработки для выполнения нечастых работ - разорительное занятие. Поэтому если возникла необходимость, то можно изготовить электроэрозионный станок своими руками.

Особенности самодельного устройства

Перед тем как приступить к изготовлению самодельного электроэрозионного станка, необходимо разобраться в его устройстве. К основным конструкционным элементам относятся:

Изготовление искрового генеротора

Для изготовления искрового генератора детали можно найти везде (в старых телевизорах, мониторах блоков питания и т. д.). Принцип его работы таков :

Меры безопасности при работе

Так как организованная электроэрозия своими руками сопряжена с возможностью поражения электрическим током, к технике безопасности необходимо подойти со всей ответственностью. Обрабатываемая деталь не должна быть заземлена. В противном случае произойдет ЧП - короткое замыкание в питающей сети. Конденсаторы, рассчитанные на 400 В, могут привести к летальному исходу при их емкости всего в 1000 мкФ.

Подключение приборов исключает контакт с корпусом. Для подключения конденсатора к электроду требуется медный провод сечением 6−10 кв. мм. Большой объем масла, используемого для предотвращения образования окислов, может загореться и привести к пожару.

Обработка металлов различного уровня твердости с высокой точностью возможна при использовании нетрадиционных способов. К ним относится и резка, шлифовка и укрепление поверхности электроэрозионными воздействиями. Электроэрозионный станок придуман достаточно давно, но получил распространение только в последние десятилетия.

Первый станок промышленного уровня был создан компанией CHARMILLES TECHNOLOGIES в 1952 году, а электроэрозионный станок с ЧПУ появился в 1969 году. По сравнению с традиционными способами обработки металлов - ковкой, литьем, шлифованием, фрезеровкой, электроискровой способ можно считать инновационным. Первым упоминаниям о кованых и литых изделиях несколько тысяч лет.

Все металлы относятся к токопроводящим веществам, поэтому электроэрозионная обработка применима ко всем видам сплавов. С ее помощью можно выполнять широкий спектр работ, начиная от обычной резки и сверления и заканчивая:

тонким шлифованием;
наращиванием поверхности и восстановлением конфигурации;
упрочнением;
копированием;
прошивкой;
гравировкой;
напылением.

Электроэрозионное оборудование базируется на принципе возникновения кратковременной электрической дуги, которая приводит к потере вещества катодом и анодом. При кратковременном импульсе вещество удаляется с анода, при более длительном - с катода. Современные электроэрозионные станки используют в работе оба вида импульсов. К положительному или отрицательному полюсу могут подсоединяться и рабочий инструмент и обрабатываемая деталь.

Единственное условие, которое соблюдается во всех видах станков - используется только постоянный ток. Уровень напряжения и сила тока зависят исключительно от параметров обрабатываемого металла. Частота возникновения импульсов определяется механическим сближением и отдалением электрода и рабочей поверхности - пробой возникает только на определенном расстоянии между контактными поверхностями.

Электроимпульсная обработка металлов направленная на разрушение обрабатываемой детали (резание или сверление) производится в диэлектрической среде, представляющей собой специальную жидкость. Чаще всего используются масло, керосин или дистиллированная вода. Операции по наращиванию поверхности, укреплению или напылению выполняются в воздухе или вакууме.

Электроэрозионная резка металла

Этот вид обработки используется в случаях, когда необходимо изготовление сложных по контуру деталей небольшого размера с высокой точностью кромок, изготовление деталей из особо твердых сплавов, в ювелирном деле. Ограничения по размерам заготовок и толщине обрабатываемого материала определяются только конструкцией конкретного станка. В большинстве случаев, электроэрозионная обработка резкой применяется на промышленных предприятиях, ориентированных на крупносерийное производство деталей высокой точности, не требующих дальнейшей обработки.

Но без особого труда можно построить электроэрозионный станок своими руками, если обладать некоторыми слесарными навыками и определенными знаниями электроники и электротехники. Схема самодельного электроэрозионного станка для резки несложная и реализовать ее можно даже в домашних условиях, не говоря уже о металлообрабатывающей мастерской или цехе небольшого предприятия.

Но следует учесть, что в самодельных станках очень сложно реализовать главные преимущества электроэрозионной обработки - высокую точность и универсальность. Тугоплавкие металлы и сплавы режутся очень медленно и требуют большого расхода электроэнергии.

При резке металла заготовка подключается к положительному полюсу источника тока, рабочий электрод - к отрицательному. Потеря вещества на аноде - не что иное, как эрозия, разрез, толщина которого зависит от геометрии катода. Большую роль играет и вид диэлектрика, с которым работает определенный вид электроэрозионных станков.

Для промышленного производства применяются два основных вида оборудования - электроэрозионный проволочный станок (вырезной) и электроэрозионный прошивной станок. Первый вид используется при обработке габаритных деталей из толстостенного металла, второй - для более точной работы по копированию деталей из высокопрочных материалов или строгих требованиях к их форме.

Проволочно-вырезные станки

Электроэрозионный промышленный проволочно-вырезной станок работает по бесконтактному принципу взаимодействия токопроводящей проволоки (молибден, вольфрам или иной тугоплавкий металл) диаметром 0,1-0,2 мм и заготовки. Обрабатывать можно металл любого уровня тугоплавкости в различной толщине детали. К проволоке, намотанной на вращающиеся барабаны, которая движется в двух направлениях - по вертикали и в сторону обрабатываемой детали, подсоединен положительный полюс, к заготовке - отрицательный.

По мере движения линии проволоки возникает разряд, который прожигает в детали линии требуемой конфигурации. По сути, электроэрозионная обработка на проволочном станке выполняет операции фрезеровочного, но на металлах особой прочности и с точностью, недостижимой при механической обработке. Это включает:

сверхмалые углы;
закругления микродиаметров;
сохранение параллельности линий на всей глубине;
высокую точность поверхности кромок.

Точность обработки достигает 0,110-0,012 мм.

Электроэрозионные прошивные станки

Электроконтактная прошивочная обработка металлов заключается в воздействии точечного электрода с заданной формой поперечного сечения, от которого зависит форма эрозионного углубления в заготовке. Применяются они для обработки:

нержавеющих сталей;
инструментальных сплавов;
титана;
закаленной стали.

Но работать могут со всеми видами токопроводящих материалов, когда требуется изготовление отверстий или углублений большой глубины с минимальным диаметром и точной геометрией сечения.

Одной из самых сложных операций прошивочного станка является изготовление резьбовых отверстий в тугоплавких материалах высокой прочности. В этом случае используются только станки с ЧПУ. Электрод из тонкой проволоки заводится внутрь отверстия и перемещается в продольном и поперечном направлении (по осям X,Y, с одновременным перемещением по оси Z). Получается отверстие со сложной конфигурацией стенки, резьбовой или иного профиля.

Электроконтактная обработка позволяет получать высокоточные оттиски штампов, пресс-форм или иных малогабаритных деталей. В этом случае электрод является миниатюрной копией требуемого изделия, изготовленной из меди или графита. В зависимости от полярности соединения на заготовке получаются четкие углубления или не менее четкие выступы. Такие электроэрозионные станки производятся как в стационарном, так и в настольном исполнении (например, G11 ARAMIS (Чехия)).

Самодельные электроэрозионные станки

Самодельный электроэрозионный станок целесообразно собирать в том случае, если высокоточные работы с металлом выполняются часто и в относительно больших объемах. Это сложное в изготовлении оборудование, которое редко используется в быту. Он оправдан в металлообрабатывающих цехах и мастерских в качестве финишного инструмента обработки заготовок после фрезерного или токарного станков или изготовления мелких деталей сложной конфигурации.

Принцип работы электроэрозионного станка требует изготовления как электронной схемы, генерирующей импульсный ток высокой силы, так и сложной механической части, обеспечивающей движение электрода (проволочного или штучного). Основная сложность - сделать генератор, который может за короткое время накопить достаточный для пробоя заряд, выбросить его за доли секунды и за столь же короткий промежуток восстановить его. При недостаточной плотности тока электроэрозионная обработка невозможна даже на тонких деталях из мягких металлов.

Основные части самодельного проволочного электроэрозионного станка:

станина - чугун или сталь;
рабочий стол - прочный пластик или нержавейка;
ванна для диэлектрика, служащая рабочей зоной;
система подачи проволоки (две катушки, электродвигатель, привод, направляющие);
система управления электродом (для прошивочных);
система запуска и остановки;
блок прокачки диэлектрика - насос, фильтры, трубопроводы;
генератор;
система управления.

Последний пункт - один из самых сложных, необходимо синхронизировать подачу проволоки по скорости и направлению, частоту импульса и подачу диэлектрической жидкости. Следует учесть, что в процессе работы жидкость ионизируется, и свойства ее значительно изменяются.

В зависимости от схемы генератора станка, в нем используются весьма опасные токи величиной 1-30А при напряжении 220 В. Изоляция всех токопроводящих частей должна быть исключительно надежной. Как работает самодельный станок можно посмотреть на видео, или здесь.

После анализа различной информации из интернета, можно сделать вывод, что по-настоящему работоспособными являются только промышленные станки. Самоделки пригодны для гравировки, нанесения надписей, пиления тонких листов металла, с которым справиться может качественный профессиональный электролобзик.

У некоторых домашних мастеров возникает идея изготовить электроэрозионный станок своими руками для собственной мастерской. Желание объясняется тем, что иногда приходится обрабатывать детали с высокой твердостью. Производить отжиг для понижения прочности нельзя. Возможна деформация детали и будут нарушены требования, предъявляемые к качеству обработанной поверхности или иные характеристики.

В результате искровой эрозии производится прожиг сквозных отверстий или нанесение маркировки. Возможна обработка поверхности сложной формы, задаваемой электродом.

Основные особенности электроэрозии

Принцип работы эрозионной установки для металлических деталей основан на удалении мельчайших частиц обрабатываемого материала искровым разрядом. В результате однократного воздействия в точке контакта остается небольшая лунка. Чем мощнее искра, тем шире и глубже образуется углубление.

Если производить многократную искровую обработку, то процесс испарения мельчайших частиц в зоне искрения будет более заметным. Произойдет разогрев металла. Поэтому для снижения температуры подается охлаждающая жидкость.

Электросхема устройства предусматривает использование:

диодного моста, он выпрямляет подаваемое переменное напряжение из сети 220 В;
лампа накаливания Н₁ на 100 Вт представляет активную нагрузку;
конденсаторы С₁, С₂, С₃ накапливают энергию для получения разового искрового разряда.

При включении схема в сеть загорается лампа Н₁, на конденсаторах С₁,…, С₃ накапливается электрический заряд. В момент полной зарядки конденсаторов прекращается течение электрического тока по цепи. Лампа Н₁ гаснет, что служит сигналом для возможности получения искры.

Электрод подводится к детали. Остается зазор, через который происходит пробой. На металле выжигается небольшая лунка.

Чтобы произвести следующий электрический разряд и выжигание еще одной порции металла, необходимо электрод отвести от детали. Потом происходит повторное заряжение конденсаторов.

Подобные действия происходят многократно. При каждом последующем действии электрод сильнее внедряется в металл, вырывая частицы на большей глубине.

Приведенная схема для полного заряда конденсаторов требует около 0,5…0,7 с времени. Величина тока в цепи заряда составляет примерно 0,42…0,47 А. При осуществлении контакта в зоне разряда ток возрастает до 7000…9000 А. При столь высоком значении происходит испарение 0,010…0,012 г металла (сталь).

Для высокого значения тока необходимо использовать медные провода сечением 8…10 мм². Чтобы прожечь отверстие, электрод изготавливают из толстой латунной проволоки. Чтобы запустить непрерывный процесс работы, нужно с частотой около 1 Гц подводить электрод к обрабатываемой детали.

Техническое задание на проектирование самодельного станка

Чтобы сделать самодельный электроэрозионный станок нужно изготовить ряд приспособлений, которые помогут автоматизировать производственный процесс.

Нужна станина, на ней будет размещаться механизм перемещения электрода.
Потребуется сам механизм, позволяющий периодически подводить и отводить электрод к обрабатываемому материалу.
Для выжигания отверстий разных форм нужно иметь набор электродов. Специалисты рекомендуют использовать молибденовую проволоку.
Для различных типов основного инструмента потребуется менять мощность устройства и силу тока. При разных режимах работы принципиальная электрическая схема должна позволять проводить регулирование величины разряда на электроде. В ней нужно предусмотреть изменение частоты пульсации напряжения.
Для охлаждения детали (перегревать закаленную сталь нельзя, происходит отпуск со снижением твердости) в зону работы нужно осуществлять подачу охлаждающей жидкости. Чаще используют обычную воду или растворы солей. Вода попутно вымывает шлам (разрушенные частицы металла).

Внимание! В промышленных установках, например, японская фирма по производству станков «Sodick» использует ванны из ударопрочного стекла. В них организуется поток жидкости в зону обработки, а также отвод отработавшей воды и последующая фильтрация.

Разработка горизонтального электроэрозионного станка

Схема установки включает основные узлы и детали:

1 – электрод;
2 – винт фиксации электрода в направляющей втулке;
3 – клемма для фиксации положительного провода от преобразователя напряжения;
4 – направляющая втулка;
5 – корпус из фторопласта;
6 – отверстие для подачи смазки;
7 – станина.

Установка небольшого размера, которую можно установить на столе. В корпусе 5 направляющая втулка 4 может перемещаться в обе стороны. Для ее привода нужен специальный механизм или приспособление.

К втулке 4 крепится электрод 1, плюсовой провод также присоединен с помощью клеммы 3. Остается только собрать предложенную схему в реальную установку в домашних условиях. В ней использована самая простейшая оснастка.

Краткое описание самодельной установки

В корпусе 2 установлен электрод 1. Его возвратно-поступательное перемещение производится электромагнитом из катушки 7. К направляющей втулке подведена клемма 3 (подается положительный потенциал).

На рабочем столе 4 крепится деталь, которую нужно обработать. На столе имеется клемма 5, к ней подключается отрицательный проводник. По трубке 6 внутрь корпуса подается смазка.

Через фильтры производится подключение преобразователя напряжения, от них положительный и отрицательный провода соединяются на соответствующих клеммах 3 и 5. На столе 4 фиксируется деталь, в которой можно проводить разные виды обработки, например, прожечь отверстие в закаленной детали.

Включив преобразователь, на токонесущих проводах будет получено рабочее напряжение. Дополнительно подается напряжение на индукционную катушку 7. Она создает вибрацию электрода 1, направляя его движение вправо и влево. Электрод 1 касается обрабатываемой детали. В зоне контакта возникает ток величиной 7000…9000 А.

При каждом движении инструмента в сторону детали выжигается небольшое количество металла. В течение 10…12 минут работы электроэрозионного станка в детали будет получено сквозное отверстие. Получено отверстие в хвостовике сверла. Обычным способом просверлить подобное отверстие довольно сложно.

Как усовершенствовать станок?

Изготовленный простейший станок представляет собой действующую модель. Его назначение – образование отверстий в закаленных деталях.

В дальнейшем нужно рассмотреть вариант с вертикальным расположением электрода. Тогда под него можно установить ванну. Процесс будет происходить без возможных неисправностей, связанных с наличием неубираемого шлама из рабочей зоны.

Нужно также рассмотреть дополнительные механизмы для плавной подачи инструмента. Возможно, потребуется осуществлять не только осевое перемещение, а также движение электрода в горизонтальной плоскости, чтобы проводить трехмерную обработку поверхности.

Любой простейший станок дает мысли к тому, как его в дальнейшем усовершенствовать и создать более удобный агрегат. Главное, сделать первый шаг и попробовать изготовить первый образец.

Видео: самодельный электроискровой станок.

Заключение

Станок для электроэрозионной обработки металла позволяет выполнять доработку закаленных деталей, не снижая их прочности.
Даже самый простейший станок, изготовленный из подручных материалов, позволяет выполнять ряд операций, которые невозможно выполнить другими инструментами и приспособлениями.

1. Сущность и назначение электроэрозионной обработки

Электроэрозия - это разрушение поверхности изделия под действием электрического разряда. Основателями технологии являются советские ученые-технологи Б.Р. Лазаренко и Н.И. Лазаренко.

Электроэрозионная обработка (ЭЭО) широко применяется для изменения размеров металлических изделий - для получения отверстий различной формы, фасонных полостей, профильных канавок и пазов в деталях из твердых сплавов, для упрочнения инструмента, для электропечатания, шлифования, резки и др.

Рис. 1.9. 1 - электрод-инструмент, 2 - обрабатываемая деталь, 3 - среда, в которой производится разряд, 4 - конденсатор, 5 - реостат, 6 - источник питания, 1р - режим электроискровой обработки, 2р - режим электроимпульсной обработки

Схема электроэрозионной обработки материалов приведена на рис. 1.9. Схема запитывается импульсным напряжением разной полярности, что соответствует электроискровому режиму (1р) и электроимпульсному режиму (2р). Напряжение питания заряжает конденсатор (4), параллельно которому включен разрядный промежуток между электродом-инструментом (1) и обрабатываемой деталью (2), которые помещены в жидкость с низкой диэлектрической проницаемостью. Когда напряжение на конденсаторе превысит потенциал зажигания разряда, происходит пробой жидкости. Жидкость нагревается до температуры кипения и образуется газовый пузырь из паров жидкости. Далее электрический разряд развивается в газовой среде, что приводит к интенсивному локальному разогреванию детали, приповерхностные слои материала плавятся и продукты расплава в виде шариков застывают в проточной жидкости и выносятся из зоны обработки.

2. Стадии электроэрозионной обработки Режим электроискровой обработки

Обрабатываемая деталь является анодом (+), то есть в данном случае деталь обрабатывается электронным потоком, то есть работает электронный стример, расплавляя объем анода-детали в виде лунки. Для того чтобы ионный поток не разрушал электрод-инструмент, используются импульсы напряжения длительностью не более 10 -3 с. Электроискровой режим используется для чистовой, точной обработки, поскольку съем металла в данном случае небольшой.

Режим электроимпульсной обработки

Обрабатываемая деталь является катодом, то есть на нее подается отрицательный импульс длительностью больше 10 -3 с. При электроимпульсной обработке между электродами зажигается дуговой разряд и обработка деталей ведется ионным потоком. Данный режим характеризуется большой скоростью съема металла, превышающей производительность электроискрового режима в 8-10 раз, но при этом чистота обработки существенно хуже. При обоих режимах в качестве рабочей жидкости, как правило, используется керосин или изоляционные масла.

3. Физика электроэрозионной обработки

Явления, происходящие в межэлектродном промежутке, весьма сложны и являются предметом специальных исследований. Здесь же будет рассмотрена простейшая схема удаления металла из области обработки посредством электрической эрозии.

Как показано на рис. 1.10, к электродам 1 подведено напряжение, которое создает электрическое поле в межэлектродном промежутке. При сближении электродов на критическое расстояние, возникает электрический разряд в виде проводящего канала. Для повышения интенсивности разряда электроды погружают в диэлектрическую жидкость 2 (керосин, минеральное масло и др.) На поверхности электродов имеются микронеровности различной величины. Напряженность электрического поля будет наибольшей между двумя наиболее близкими друг к другу выступами на поверхности электродов, поэтому именно здесь возникают проводящие мостики из примесных частиц жидкости. Ток по мостикам нагревает жидкость до испарения и образуется газовый пузырь (4), внутри которого и развивается мощный искровой или дуговой разряд, сопровождающийся ударной волной. Возникают потоки электронов и ионов (положительные и отрицательные стримеры), которые бомбардируют электроды. Образуется плазменный канал разряда. Благодаря высокой концентрации энергии в зоне разряда температура достигает тысячи и десятков тысяч градусов. Металл на поверхности электродов плавится и испаряется. Капли расплавленного металла в результате движения потока жидкости в рабочей зоне выбрасываются за пределы электродов и застывают в окружающей электроды жидкости в виде мелких частиц сферической формы (5).

От взаимодействия жидкости с участками электродов, нагретых до температуры 100-400 0С, на границах плазменного канала разряда происходит пиролиз диэлектрической жидкости. В результате в жидкости образуются газы, а также асфальтосмолистые вещества. Из газовой среды выделяется углерод, отлагающийся на нагретых поверхностях электродов в виде тонкой пленки кристаллического графита. В месте действия импульса тока на поверхностях электродов остаются небольшие углубления - лунки, образовавшиеся вследствие удаления разрядом некоторого количества металла.

В табл. 1.2 приведена зависимость величины эрозии стального электрода от энергии и длительности одиночного импульса.

Таблица 1.2

Зависимость величины эрозии стального электрода (анода) от энергии и длительности одиночного импульса

Рис. 1.10. 1 - электроды, 2 - жидкость, 3 - лунки, 4 - газовый пузырь, 5 - продукты эрозии

После разряда в течение некоторого времени происходит остывание столба канала и деионизация вещества плазмы в межэлектродном промежутке. Электрическая прочность межэлектродного промежутка восстанавливается. Время деионизации жидкого диэлектрика составляет 10 6 -10 -2 с. Следующий разряд обычно возникает уже в новом месте, между двумя другими ближайшими точками электродов.

Длительность интервалов между импульсами должна быть достаточной для удаления из зоны разряда продуктов эрозии, а также газового пузыря, являющегося главным препятствием для возникновения следующего разряда. В связи с этим частота разрядов с возрастанием их энергии снижается.

Так происходит до тех пор, пока разряды не удалят с поверхности электродов все участки металла, которые находятся на расстоянии пробоя при величине приложенного напряжения. Когда расстояние между электродами превысит пробивное, для возобновления разрядов электроды должны быть сближены. Обычно электроды сближают в течение всего времени обработки так, чтобы электрические разряды не прекращались.

Параметры рабочих импуль сов. Основными параметрами электрических импульсов, подаваемых на межэлектродный промежуток, являются их частота повторения, длительность, амплитуда и скважность, а также форма, определяющие максимальную мощность и энергию. Форма и параметры импульсов оказывают существенное влияние на износ электрода-инструмента, производительность и шероховатость обработанной поверхности.

Обозначим частоту повторения импульсов, т. е. их число в секунду, через f. Тогда Т = 1/f будет являться периодом. Он определяет промежуток времени, через который следует очередной импульс.

Импульс характеризуется амплитудным значением (или амплитудой) напряжения и тока Um и Im. Это максимальные значения, которые приобретают напряжение и ток за время импульса. При электроэрозионной обработке амплитуда напряжения изменяется от нескольких вольт до нескольких сотен вольт, а амплитуда тока от доли ампера до десятков тысяч ампер. Диапазон скважностей импульса при электроэрозионной обработке заключен в пределах от 1 до 30.

Полярный эффект и полярность импульса. Высокая температура в канале разряда и происходящие динамические процессы вызывают эрозию обоих электродов. Повышение эрозии одного электрода по сравнению с другим электродом называется полярным эффектом. Полярный эффект определяется материалом электродов, энергией и длительностью импульсов, знаком подведенного к электроду потенциала.

Процессы изменения напряжения и тока имеют колебательный характер относительно их нулевого значения. При электроэрозионной обработке принято считать рабочей или прямой полярностью импульса ту его часть, которая вызывает наибольший эффект эрозии обрабатываемой заготовки, а обратной - часть импульса, вызывающую усиленную эрозию электрода-инструмента. Обрабатываемую заготовку присоединяют к тому полюсу, эффект эрозии которого в данных условиях больше. К противоположному полюсу присоединяют электрод- инструмент. Например, при коротких импульсах электроискровой обработки энергия преимущественно поступает на анод, в качестве которого здесь следует использовать заготовку (прямая полярность). При увеличении длительности импульсов наступает перераспределение теплового потока на электродах. Это приводит к тому, что при определенных режимах электроимпульсной обработки эрозия анода становится меньше, чем эрозия катода. В этом случае следует применять обратную полярность, используя заготовку в качестве катода.

Электроэрозионная обрабатываемость. Эффект эрозии различных металлов и сплавов, производимый одинаковыми по своим параметрам электрическими импульсами, различен. Зависимость интенсивности эрозии от свойств металлов называют электроэрозионной обрабатываемостью.

Различное влияние импульсных разрядов на металлы и сплавы зависит от их теплофизических констант: - температур плавления и кипения, теплопроводности, теплоемкости. Если принять электроэрозионную обрабатываемость стали за единицу, то электроэрозионная обрабатываемость других металлов (при тех же условиях) может быть представлена в следующих относительных единицах: вольфрам - 0,3; твердый сплав - 0,5; титан - 0,6; никель - 0,8; медь - 1,1; латунь - 1,6; алюминий - 4; магний - 6 (указанные данные справедливы только при конкретных условиях: энергия импульса 0,125 Дж, длительность 1.4-10 -5 с, частота 1200 1/с, амплитуда тока 250 А).

Рабочая среда. Большинство операций при электроэрозионной обработке производят в жидкости. Она обеспечивает условия, необходимые для удаления продуктов эрозии из межэлектродного промежутка, стабилизирует процесс, влияет на электрическую прочность межэлектродного промежутка. Жидкости, пригодные для электроискровой обработки, должны обладать соответствующей вязкостью, электроизоляционными свойствами, химической устойчивостью к действию разрядов.

С повышением частоты импульсов и снижением рабочего тока стабильность рабочего процесса ухудшается. Это вызывает необходимость увеличить скважность импульсов. Применение прямоугольных импульсов существенно повышает производительность.

Производительность обработки можно повысить, если применять принудительное удаление продуктов эрозии из межэлектродного промежутка. Для этого в межэлектродный промежуток под давлением нагнетают жидкость (рис. 1.11).

Рис. 1.11.

Хорошие результаты дает наложение вибраций на электрод-инструмент, а также вращение одного или обоих электродов. Давление жидкости зависит от глубины отверстия и величины межэлектродного промежутка. Вибрации особенно необходимы при электроискровой обработке глубоких отверстий малого диаметра и узких щелей. Большинство электроэрозионных станков снабжено специальной вибрационной головкой.

Качество поверхности и точность обработки. Металл электродов подвергается хотя и локальному, кратковременному, но весьма интенсивному электротермическому воздействию. Наивысшая температура существует на обрабатываемой поверхности и быстро уменьшается на некотором расстоянии от поверхности. Большая часть расплавленного металла и его паров удаляется из зоны разряда, но некоторая часть остается в лунке (рис. 1.12). При застывании металла на поверхности лунки образуется пленка, по своим свойствам отличающаяся от основного металла.

Рис. 1.12. 1 - пространство, оставшееся после выплавления металла; 2 - белый слой; 3 - валик вокруг лунки; 4 - обрабатываемая заготовка; БЛ, НЛ - диаметр и глубина лунки

Поверхностный слой в расплавленном состоянии активно вступает в химическое взаимодействие с парами и продуктами разложения рабочей жидкости, образующимися в зоне высоких температур. Результатом этого взаимодействия является интенсивное насыщение металла компонентами, содержащимися в жидкой среде, а также веществами, входящими в состав электрода-инструмента. Таким образом, в поверхностный слой могут быть внесены титан, хром, вольфрам и т. д. При электроэрозионной обработке стальных заготовок в среде, состоящей из жидких углеводородов (керосин, масло), поверхностный слой насыщается углеродом, т. е. образуются карбиды железа. Следовательно, при электроэрозионной обработке происходит упрочнение поверхности детали.

Интенсивный теплоотвод из зоны разряда через прилегающие к ней массы холодного металла и рабочую жидкость создает условия для сверхскоростной закалки, что одновременно с науглероживанием приводит к образованию очень твердого слоя. Закаленный поверхностный слой стали обладает повышенной стойкостью на истирание и меньшим, чем у нетермообработанной стали коэффициентом трения. Структура поверхностного слоя существенно отличается от структуры основного металла и схожа со структурой отбеленного слоя, возникающего на поверхности некоторых чугунов. Поэтому этот слой получил название «белый слой». Глубина белого слоя зависит от энергии импульсов, их длительности и теплофизических свойств обрабатываемого материала. При длительных импульсах тока большой энергии глубина белого слоя равна десятым долям миллиметра, а при коротких импульсах - сотым долям миллиметра и микронам.

Упрочнение поверхностного слоя металлов (электроэрозионное легирование). 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 легировании применяют обратную полярность (заготовка является катодом, инструмент - анодом) обработку производят обычно в воздушной среде и, как правило, с 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; покрываемые поверхности не требуют предварительной подготовки; возможно нанесение не только металлов и их сплавов, но и их композиций. 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. При этом в слое возникают сложные химические соединения, высокостойкие нитриды и карбонитриды, а также закалочные структуры. По мнению специалистов, при электроискровом упрочнении в поверхностном слое, например, стали происходят процессы, приведенные в табл. 1.3.

Таблица 1.3

При электроискровом упрочнении микротвердость белого слоя в углеродистых сталях может быть доведена до 230 МПа, высота микронеровностей обработанной поверхности до 2,5 мкм. Толщина слоя покрытия, получаемого на некоторых установках, составляет 0,003-0,2 мм.

4. Основные технологии электроэрозионной обработки металлов

Технологии размерной обработки металлических деталей.

Формообразование деталей электроэрозионным методом можно осуществить по следующим схемам.

1. Копирование формы электрода или его сечения. При этом обрабатываемый элемент заготовки по форме является обратным отображением рабочей поверхности инструмента. Данную операцию называют прошиванием. Существуют методы прямого и обратного копирования. При прямом копировании инструмент находится над заготовкой, а при обратном - под ней. Метод прошивания прост в исполнении, и он широко применяется в промышленности. На рис. 1.13 представлена схема электроэрозионной обработки методом копирования формы электрода- инструмента. По мере электроэрозионной обработки электрод (1) внедряется в деталь, обеспечивая копирование электрода.

2. Взаимное перемещение обрабатываемой заготовки и электрода- инструмента. При этой схеме возможны операции вырезания сложно- профильных деталей и разрезание заготовок электродами, электроэрозионного шлифования и растачивания деталей.

Рис. 1.13. : 1 - электрод-инструмент, 2 - обрабатываемая деталь, 3 - жидкость, 4 - сосуд

Прошивание окон, щелей и отверстий. Эта операция осуществляется на универсальных станках. Электроэрозионным способом прошивают щели шириной (2,5-10) мм, глубиной до 100 мм. Для обеспечения удаления продуктов эрозии из межэлектродного промежутка, электрод-инструмент делают Т-образной формы или уменьшают толщину хвостовой части по сравнению с рабочей частью на несколько десятых долей миллиметра. Скорость прошивания щелей составляет (0,5-0,8) мм/мин, шероховатость обработанной поверхности - до 2,5 мкм.

Обработка деталей типа сеток и сит. Созданы электроэрозионные станки, позволяющие обрабатывать сеточные детали с числом отверстий до нескольких тысяч. Станки могут обрабатывать одновременно более 800 отверстий диаметром (0,2-2) мм в листах из коррозионно- стойких сталей, латуни и других материалов толщиной до 2 мм. Производительность обработки до 10000 отверстий в час.

Электроэрозионное шлифование. Это одна из разновидностей электроэрозионной обработки, которая используется для обработки высокопрочных заготовок из сталей и твердых сплавов. Удаление металла при этом происходит под воздействием импульсных разрядов между вращающимся электродом-инструментом и обрабатываемой заготовкой, а не в результате механического воздействия, как при абразивном шлифовании.

Методы прямого и обратного копирования имеют существенный недостаток, заключающийся в необходимости использования сложных фасонных электродов- инструментов. Износ электродов отражается на точности изготовления деталей, поэтому одним электродом-инструментом удается изготовить не более 5-10 деталей.

Электроискровой метод сложноконтурной проволочной вырезки выгодно отличается от методов копирования тем, что здесь инструментом является тонкая проволока из меди, латуни или вольфрама диаметром от нескольких микрон до 0,5 мм, включаемая в электрическую схему как катод (см. рис. 1.14).

Рис. 1.14. : 1 - проволока, 2 - обрабатываемая деталь, 3 - направляющие ролики, 4 - устройство для регулирования скорости протяжки проволоки

Для устранения влияния износа проволоки на точность обработки, проволока перематывается с одной катушки на другую, что позволяет все новым элементам участвовать в работе. При перемотке осуществляется небольшой натяг. Возле обрабатываемой заготовки установлены ролики, ориентирующие проволоку относительно обрабатываемой детали. Сложноконтурная проволочная вырезка применяется при прецизионном резании заготовок, прорезании точных щелей, резании полупроводниковых материалов, обработке цилиндрических, конических наружных и внутренних поверхностей.

К основным достоинствам электроэрозионной обработки проволочным электродом-инструментом относится высокая точность и возможность широкой автоматизации процесса.

Электроконтактный способ обработки. Электроконтактная обработка материалов является разновидностью электроэрозионной обработки. Отличие ее состоит в том, что импульсы электрической энергии генерируются в результате взаимного перемещения электродов или прерывания электрического разряда при прокачке жидкости под давлением. Электроконтактную обработку можно проводить при постоянном и переменном токе, в воздухе или жидкости (вода с антикоррозионными добавками). При обработке электрод-инструмент и заготовку полностью погружают в жидкость либо подают жидкость в межэлектродный промежуток распылением. Обработку производят при значительных токах (до 5000 А) и напряжениях холостого хода источника питания 18-40 В. Электроконтактным методом производят получистовое точение тел вращения, чистовую резку, прошивание цилиндрических, фасонных отверстий и объемных полостей, фрезерование, шлифование. Электроконтактный метод особенно эффективен при обработке заготовок из труднообрабатываемых сталей и сплавов, а также чугунов высокой твердости, монокристаллов, материалов с высокими теплофизическими свойствами.

Принципиальная схема установки для электроконтактной обработки выглядит следующим образом. Заготовка и электрод-инструмент, имеющие ось вращательной симметрии и включенные в цепь с источником питания, после соприкосновения совершают вращательное движение друг относительно друга.

При соблюдении условий, необходимых для реализации электроэрозионных процессов, происходит съем металла с заготовки.

Упрочнение поверхностного слоя металла (электроэрозионное легирование)

Одним из преимуществ электроэрозионной обработки металлов является то, что при определенных условиях резко повышаются прочностные свойства поверхности заготовки. Эту особенность используют для улучшения износостойкости режущего инструмента, штампов, пресс-форм и т.д. При электроэрозионном легировании применяют обратную полярность (заготовка является катодом, инструмент - анодом) обработку производят обычно атомами инструмента-электрода в электроимпульсном режиме (см. рис. 1.15) в воздушной среде и, как правило, с вибрацией электрода.

Рис. 1.15 Схема электроэрозионного легирования: 1 - легирующий электрод-инструмент, 2 - легируемая деталь

Основные преимущества электроэрозионного легирования заключаются в следующем: покрытия имеют большую степень сцепления с материалом основы; покрываемые поверхности не требуют предварительной подготовки; возможно нанесение не только металлов и сплавов, но и их композиций.

Процессы, происходящие при электроэрозионном упрочнении, сложны и являются предметом тщательных исследований. Однако, сущность упрочнения состоит в том, что при электроискровом разряде в воздушной среде происходит перенос материала электрода на заготовку (см. рис. 1.15). Перенесенный материал электрода легирует металл заготовки и, химически соединяясь с ионами азота воздуха, углеродом и материалом заготовки, образует износоустойчивый упрочненный слой, состоящий из нитридов, карбонитридов и других закалочных структур.

При электроискровом легировании микротвердость белого слоя в углеродистых сталях может быть доведена до 230 МПа. Толщина слоя покрытия, получаемого на некоторых установках, составляет 0,003-0,2 мм. При упрочнении поверхности деталей машин (например, на установке ИЕ-2М) можно получить глубину слоя до 0,5-1,6 мм 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 (грубое легирование) при низких напряжениях 50-60 В и токах короткого замыкания свыше 20 А.

Работа на электроэрозионных станках. Подготовка электроэрозионных станков к работе заключается в установке заготовки и электрода-инструмента и выверке их взаимного расположения, подготовке ванны к работе и системы прокачки рабочей жидкости, выбору и настройке режимов генератора. Заготовку устанавливают и закрепляют непосредственно на столе станка или в приспособлении. Электрод-инструмент устанавливают хвостиком в шпиндель головки. При выверке используют индикаторы, оптические приборы, приспособления, позволяющие изменять положение инструмента по отношению к заготовке и угол наклона.

Осуществив выверку положения электрод-инструмента, заполняют ванну рабочей жидкостью, проверяют работу системы прокачки, устанавливают необходимое давление прокачки. Задают режим генератора импульсов (полярность, форма импульсов, скважность, частоту следования импульсов, средний ток), пользуясь соответствующими таблицами и номограммами. Изменение полярности напряжения генератора импульсов производится путем переключения на штепсельном разъеме токоподводов к станку. При работе с прямой полярностью (электроискровой режим) на электрод подается отрицательный потенциал, а на заготовку - положительный. Для работы с обратной полярностью (электроимпульсный режим) производят обратное переключение. Установку электрических параметров и режимов работы осуществляют с помощью переключателей, расположенных на панели пульта управления. Настраивают регулятор подачи, устанавливая рекомендуемое напряжение регулятора.

Для изготовления нестандартного оборудования или изделий на производстве (на заводе, на фабрике, в промышленной мастерской) обычно долго не думают и если не могут что-то изготовить сами и своими силами, то заказывают это оборудование или изделия на стороне, не считаясь с затратами. Мастеру-умельцу такой вариант приобретения нестандартного изделия не всегда приемлем.
Так что же делать?
Не унывать и вспомнить, что любая техническая задача имеет множество вариантов решения и надо всего-то лишь найти наиболее приемлемый вариант решения подходящий для применения в Вашем конкретном случае.
Пример: Вам нужно изготовить пару изделий, размером со среднего размера тазик, из листовой стали.
Ради изготовления двух, трех деталей, которые вполне возможно, впоследствии будут нуждаться в кардинальной переделке или даже в новом исполнении, аренда пресса и изготовление штампа (с переделкой) для мастера-умельца могут оказаться дорогим удовольствием. Но отказываться от задуманного не стоит, тем более если умеете работать не только руками, но и головой. В середине прошлого века был открыт электрогидравлический эффект, искра в воде возбуждала гидравлический удар с помощью которого можно штамповать, на сравнительно простеньком оборудовании довольно большие и сложные изделия.
Гидравлические удары для штамповки применять стали сравнительно давно. Во времена покорения американского дикого запада, кустари-умельцы штамповали кастрюльки, котелки и прочие изделия в примитивных штампах, стреляя в воду (штампа) из ружей или револьверов.
Устройство штампа было следующим: К матрице крепилась листовая заготовка, так чтоб под листовую заготовку не попадала вода, затем все в сборе погружали в толстостенный чан с водой и стреляли. Гидравлические удары постепенно прижимали лист металла к внутренней поверхности матрицы. Воздух из полости матрицы стравливали через специальное отверстие. Потом для этих же целей вместо стрельбы стали взрывать мини заряды взрывчатки. Оборудование было компактным и простым, правда,немного"" опасным.
Скажете примитивно? Зато просто. Кузова для сверхдлинных лимузинов до сих пор штампуют именно таким способом, с помощью воды и взрывчатки. Оказалось, что для изготовления таких кузовов делать специальный пресс слишком дорого даже для солидных фирм. С помощью примерно такого же оборудования рубят по размеру корабельную броню (толщина до 0,8 метра), мельчат руду и т.д. и т.п.
В нашей любимой Стране-запретов мастеру одиночке никто не позволит производственные шалости с огнестрельным оружием и взрывчаткой, поэтому для исполнения задуманного в домашних условиях, электрогидравлический эффект был бы очень кстати. Не запрещено, поддается регулировке по мощности и сравнительно дешево. Матрицу несложно изготовить из обычного бетона с полимерным покрытием. Как видим эта задумка вполне реальна в итоге.
Более подробно для интересующихся в книге: Юткин Л.А. ,Электрогидравлический эффект и его применение в промышленности.""
Следующие примеры:
Обработка металлов электрическими способами.
Это электрохимический, электроэрозионный и электроконтактный способы размерной обработки любых по твердости металлов и металлических сплавов. Размерная и объемная отрезка и обработка, пробивка простых и сверхглубоких, профильных отверстий, полостей. Фрезерование, маркировка, заточка, шлифовка, полировка и пр. По отношению к привычным методам обработки (резанием) применяемый инструмент (для электро обработки) может быть более дешевым, самодельным и из недефицитных материалов, станки более просты, по сравнению с привычными, в изготовлении.
Хорошо известен способ электрохимического растворения металла под действием электрического тока. Если два металлических электрода подсоединить к источнику постоянного тока и опустить электроды в раствор электролита, то плюсовой электрод (заготовка) начнет растворяться, а минусовой электрод (инструмент), в зависимости от применяемого электролита, останется неизменным или начнет покрываться слоем растворенного в электролите металла. В нашем случае приветствуется только растворение металла на заготовке, растворенный металл выпадает в осадок и неизменное состояние электрода-инструмента. Для этого в качестве электролита применяют 25 процентный раствор поваренной соли. Чем ближе находится электрод-инструмент к электроду-заготовке, тем точнее получается,отпечаток"" инструмента на заготовке. В реальности расстояние между электродом-инструментом до электрода-заготовки от сотых долей миллиметра и выше.
Основные сложности это:
удержать электрод-инструмент на одном и том же расстоянии от электрода-заготовки во время всего процесса обработки, растворение металла приводит к изменению площади растворения и прочим изменениям всевозможных параметров.
удалить растворенный металл из зоны обработки и не допустить его осаждения на заготовке и инструменте. Обычно это делается подачей в рабочий зазор электролита под большим (до 20 атмосфер) давлением.
Плюсы подобной обработки, это сравнительно дешевый и практически вечный инструмент, возможность обработки любых по твердости металлов с очень высокой точностью, без последующего изменения их свойств и закалки в частности.
Более простой способ обработки металлов электроэрозионный. В сущности, это продолжение электрохимического способа. При сближении зазора между электродом-инструментом и электродом-заготовкой возникает искра пробоя. В месте возникновения искры на обоих электродах появляются лунки, но на заготовке лунка немного больше. Металл в данном случае не растворяется в электролите, а испаряется и затем конденсируется в виде крохотных металлических шариков в рабочей жидкости. Для электроэрозионной обработки применяют уже не токопроводящий электролит, а жидкие диэлектрики (или рабочие жидкости): машинное масло, керосин, десцилированая вода и пр. Жидкие диэлектрики препятствуют попаданию испарившегося металла электрода-заготовки осесть на электроде-инструменте. Таким образом, разрушается и инструмент, и заготовка, но заготовка в месте контакта разрушается больше и так после серии контактов в итоге происходит обработка заготовки.
Износ (разрушение) инструмента до 30-80 процентов по отношению к разрушению на заготовке. Однако инструмент часто можно изготовить из жести или кусков недефицитной проволоки нужного диаметра, для фасонной отрезки и пробивки сложных и глубоких отверстий не только в обычном железе, но и для обработки других металлов, вплоть до сверхтвердых победитовых напаек. Пробивка сверхглубоких отверстий проводится с постоянным поворотом инструмента и подводом рабочей жидкости под небольшим давлением. Точность обработки сравнительно не высока, зато сам процес обработки достаточно прост.
Станок для электроэрозионной обработки напоминает настольный сверлильный. Только инструмент крепится к соленоиду подключенному параллельно к электромагнитной катушке. Во время контакта электродов, происходит соприкосновение инструмента и заготовки, электроцепь замыкается, в катушке появляется ток, электромагнитная катушка поднимает соленоид и инструмент над заготовкой. Но в это время электроцепь обесточивается и соленоид (и инструмент) падает под собственной тяжестью вниз на заготовку и все повторяется. Повторяется автоматически до тех пор, пока есть условия для контакта инструмента и заготовки.
Недостатки: Инструмент быстро теряет свою первоначальную форму, что приводит к большому искажению формы заготовки. Поэтому обработку иногда ведут в несколько приемов и разным инструментом, сначала в черновом варианте, затем в чистовом.
Еще проще электро-контактный способ обработки металлов. В качестве рабочей жидкости применяют уже раствор жидкого стекла (силиката натрия или калия). Инструмент это металлический, вращающийся диск из толстой жести. Раствор жидкого стекла (более известный под названием клей канцелярский) образует на металле нерастворимую пленку, но микронеровности на металле-инструменте сдирают пленку на заготовке и тут же разряд электричества выравнивает выступ на инструменте и делает новое углубление на заготовке. И так непрерывно, в разных точках касания, пока диск-инструмент вращается и соприкасается с заготовкой. Раствор силиката натрия (калия) либо поливается в зону контакта, или и заготовка, и инструмент погружены в раствор. Электро-контактным способом можно резать и обрабатывать металл примерно также как болгаркой или на наждачном круге.
Станки для электро-контактной обработки металлов самые простые по устройству и должны обеспечить вращение инструмента, и подвод больших токов инструментом в зону обработки. Износ инструмента значителен, но чистовую доводку проводят тем же инструментом, что и черновую.
Электро-контактным способом шлифуют и полируют неровности на направляющих поверхностях металлообрабатывающих станках. В этом случае чугунную пластину (инструмент) и станину (заготовку) подключают к низковольтному источнику постоянного тока и поливая жидким стеклом (вручную натирают) шлифуют поверхность направляющих.
Если Вы посчитаете, что какой-то из вышеописанных способов обработки металлов Вам подойдет, то конечно же моего описания будет недостаточно для серьезного изучения этой темы. Но в сущности станки достаточно просты, и все вышеописанное не так уж и сложно для применения в домашних условиях.