Курс лекций ЭФиЭХМО. Курс лекций эфиэхмо. Лекция Основные понятия. Классификация эф и эх методов
 Скачать 2.54 Mb.
|
|
Механизм разрушения. Механизм разрушения материала можно представить так. При сближении двух металлических электродов, находящихся под напряжением, наступает момент, когда между 8 участками электродов, находящихся на минимальном расстоянии один от другого, создается электрическое поле высокой напряженности. Это приводит к пробою межэлек- тродного промежутка. В начале пробоя электроны, вырывающиеся из наиболее выступающих участков поверхности катода, устремляются к аноду. При столкновении электронов с молекулами газа (воздуха) происходит ионизация газа в межэлектродной среде и образуется узкий проводящий канал, по которому лавинообразно устремляется поток электронов. Лавина электронов несет значительное количество энергии, которая высвобождается на материале электрода- анода в виде тепловой энергии и приводит к локальному расплавлению и частичному испарению электрода. Возникновение и распределение электрических разрядов по поверхности определяется изменением минимального расстояния между взаимодействующими поверхностями электродов. Вследствие этого при обработке (в условиях воздействия на материал периодических импульсов определенной последовательности) на электроде- заготовке отражается форма электрода-инструмента. Процесс эрозии значительно интенсифицируется в жидкости. Удаляемый из эрозионной лунки металл в жидкости застывает в виде мелкодиспергированных гранул шаровидной формы. Предполагается, что пробой жидкости определяется двумя причинами: вскипанием жидкости и образованием проводящих мостиков диспергированными частицами металла. При пробое жидкости образуется ионизированный канал проводимости, по которому проходит вся энергия импульса. При этом часть энергии выделяется в жидкости в виде ударной волны и кавитационного пузыря. Другая часть энергии выделяется на электродах в виде тепловой энергии вследствие прохождения тока через электроды (до 30— 40% энергии, выделяемой в искровом промежутке). Электроэрозионный процесс является электротермическим. Нагрев поверхности электродов создается в результате бомбардировки анода электронами и катода — поло- жительными ионами. Вначале разряд обусловлен ионами жидкости, затем — ионизированными парами металла. Температура канала искры достигает 40000°С, температура на поверхности металла электрода 10000°С. При электроэрозионной обработке используются искровой и дуговой электрические разряды. При электроискровой обработке преобладает искровой разряд, когда диаметр канала значительно меньше, чем при дуговом разряде, и возникает значительная концентрация энергии на электроде. Это приводит к тому, что при электроискровой обработке преобладает испарительный механизм разрушения. При электроимпульсной обработке преобладает дуговой разряд. При дуговом разряде резко снижается перегрев металла и переход его в парообразное состояние, так как температура канала дугового разряда на 5000—6000°С меньше, чем при искровом разряде. Поэтому основным механизмом разрушения материала электрода при электроимпульсной обработке является удаление металла в капельно-жидком состоянии. При электроконтактной обработке разрушение обрабатываемого материала происходит под воздействием дуговых разрядов, которые приводят к удалению металла в капельно-жидком состоянии или в результате нагрева и дальнейшего расплавления материала под действием проходящего электрического тока (вследствие повышенного сопротивления на контактирующих поверхностях). 9 По окончании разряда на поверхностях электронов образуются лунки. Форма лунки в первом приближении представляет шаровой сегмент. Размеры образующихся лунок зависят от параметров импульсов тока, материалов электродов, состава рабочей жидкости, полярности включения электродов. На практике d n =0,1...2 мм. Рис. 2.2 – Форма лунки при ЭЭО Диаметр и глубину лунок (мкм) определяют в основном по эмпирическим формулам: 𝑑 𝑛 = 𝑘 1 ∙ 𝑊 𝑖 1 3 , ℎ 𝑛 = 𝑘 2 ∙ 𝑊 𝑖 1 3 W i – энергия импульса, мкДж; к 1 , к 2 – коэффициенты, зависящие от материала электродов и состава рабочей среды. Размер лунки также характеризуется соотношением: 𝑘 = 𝑟 𝑛 ℎ 𝑛 ≈ 5 … 12 Параметры импульсов тока и их влияние. Характер протекания электроэрозионного процесса, количество и состав удаляемого из эрозионной лунки материала, скорость его удаления зависят от различных параметров импульсов электрического тока. Основными параметрами импульсов являются: длительность, скважность, амплитуда и частота. Длительность τ импульса определяет время действия импульса электрического тока (его продолжительность). При электроэрозионной обработке используются импульсы длительностью от 10 -7 до 10 -1 сек. Импульсы длительностью τ < 10 -4 сек преимущественно используются в электроискровой обработке, а длительностью τ > 10 -4 сек в электроимпульсной. При действии коротких (10 -7 ... 10 -4 сек) мощных импульсов преобладает процесс испарения материалов электронов. Энергия передается на анод главным образом электронами, образующимися на катоде за счет термо- или автоэлектронной эмиссии. Более тяжелые ионы не успевают приобрести необходимую энергию, поэтому больший съем металла наблюдается на аноде, в качестве которого и используют обрабатываемую заготовку детали. Такую полярность включения электродов называют прямой: анод - обрабатываемая заготовка, катод – инструмент. С увеличением длительности импульсов до 10 -1 ...10 -3 сек большую роль в распределении энергии начинают играть положительные ионы. Растет доля энергии, отдаваемая положительными ионами катоду, увеличивается съем материала с катода. В этом случае обрабатываемую заготовку детали целесообразно подключать катодом. Такую 10 полярность включения электродов называют обратной: анод - инструмент, катод - обрабатываемая заготовка. Явление превышения эрозии одного электрода над другим называют «полярным» эффектом. Скважностью импульсов называют отношение периода повторения импульсов Т к длительности импульса τ. 𝑞 = 𝑇 𝜏 Величина скважности определяет возможность концентрации во времени значительных энергий и мощностей в зоне обработки. При q=l импульсы тока подводятся непрерывно, поэтому непрерывно подводится и тепловая энергия к элементарному участку обрабатываемой поверхности. Желательно, чтобы процесс образования отдельной лунки заканчивался несколько раньше начала воздействия следующего импульса. Поэтому диапазон скважностей, применяемых при электроэрозионной обработке, обычно лежит в пределах 1—30. В электроискровой обработке применяют импульсы скважностью q > 5–10, в электроимпульсной — с q < 5. При q > 30 считают, что на обрабатываемую поверхность действуют не периодические, а одиночные импульсы энергии. Частота f импульсов определяется заданной скважностью q и длительностью τ импульсов и показывает, какое количество импульсов подается в единицу времени: 𝑓 = 1 𝑞𝜏 = 1 𝑇 При электроэрозионной обработке используется диапазон частот 100 Гц–2000 кГц. Амплитуда импульсов тока при электроэрозионной обработке изменяется от долей ампера до десятков тысяч ампер. Амплитуды импульсов напряжения изменяются в сравнительно широком диапазоне (от десятков до нескольких сотен вольт). Важной характеристикой импульса является его форма, В электроэрозионной обработке используются импульсы следующих форм: 1. униполярные с постоянной составляющей (пульсирующий ток) (рис. 2.3, а); 2. униполярные (рис. 2.3, б); 3. симметричные знакопеременные (рис. 2.3, в); 4. несимметричные знакопеременные (рис. 2.3, г). Импульсы униполярные с постоянной составляющей и униполярные используются в электроимпульсной обработке, несимметричные знакопеременные – в электроискровой обработке, симметричные знакопеременные и униполярные – в электроконтактной обработке. Изменение параметров и формы импульса значительно влияет на характер протекания электроэрозионного процесса. 11 Рис. 2.3 – Формы импульсов тока Показатели обрабатываемости материалов. Электроэрозионная обрабатываемость - это зависимость интенсивности эрозии от свойств металлов. Съем при ЭЭО зависит от теплофизических параметров материала обрабатываемой заготовки детали: температуры плавления, кипения и испарения, теплопроводности, теплоемкости. В более тугоплавком материале один разряд образует лунку меньших размеров. Приближенную оценку электроэроэионной обрабатываемости мате¬риалов проводят с помощью критерия фазовых превращений Палатника (критерий Палатника): П = 𝑐 ∙ 𝜌 ∙ 𝜆 ∙ Т п 2 где с – удельная теплоемкость материала электрода; λ – коэффициент теплопроводности; ρ – плотность материала электрода; Т п — температура плавления материала электрода. Критерий Палатника показывает, из какого материала электрод при одинаковых условиях раньше других нагреется до температуры плавления. Чем меньше значение П материала, тем ниже электроэрозионная стойкость материала и выше обрабатываемость. Более точную оценку обрабатываемости материалов устанавливают экспериментальным путем. В табл. 2.1 приведены значения критерия Палатника, рассчитанные для ряда металлов. Табл. 2.1 – Критерий Палатника для ряда металлов 12 Степень электроэрозии электрода в определенных условиях зависит от полярности электродов. Так, при одинаковых материалах электродов в условиях действия, коротких импульсов наблюдается большая эрозия электрода, подключенного к аноду. При воздействии же длительных импульсов большей эрозии подвержен катод. Поэтому; при электроискровой обработке (импульсы малой длительности) оптимальная полярность включения электродов прямая, т. е. заготовка — анод, инструмент — катод. При электроимпульсной обработке полярность обратная: заготовка – катод, инструмент – анод. Рабочая среда. Процесс ЭЭО проводится в рабочей среде, которая выполняет следующие функции: 1. предотвращает переход искрового разряда в дуговой (иначе возможно сплошное оплавление металла и сварка); 2. охлаждает электроды и продукты эрозии; 3. удаляет продукты эрозии из межэлектродного промежутка. Поэтому к рабочей жидкости предъявляются следующие требования: - невысокая вязкость и безопасность в эксплуатации; - химическая нейтральность к материалу инструмента-электрода и детали; - высокая стойкость в процессе обработки; - надежные электроизоляционные свойства; - нетоксичность; - невысокая стоимость. При ЭЭО применяют в основном жидкие диэлектрики: керосин осветительный (для точных мелких работ), масла индустриальные (трансформаторное, веретенное, машинное), воду и водные эмульсии (станочная эмульсия), специальные углеводородные жидкости. Отдельные операции ЭЭО проводят в воздушной среде. Отработавшая рабочая жидкость восстанавливается от¬стоем или фильтрацией. Отработавшее масло можно час¬тично восстановить, добавив к нему керосин. Поверхность после ЭЭО. Поверхность после ЭЭО представляет собой результат наложения друг на друга большого числа лунок (рис. 2.4). Рис. 2.4 – Поверхность после ЭЭО Шероховатость поверхности после ЭЭО зависит от энергии импульсов, материалов ЭИ и ЭЗ, рабочей среды. На грубых режимах получают поверхность с шероховатостью Rz 50 - 1000 мкм, на средних режимах Rz 5–25 мкм, на мягких Rz 1–3 мкм. Первостепенное влияние на шероховатость поверхности оказывает электрический режим ЭЭО. На рис. 2.5 приведены зависимости шероховатости поверхностей деталей из сплава ЭИ 437, обработанных латунным электроном, от энергии импульсов. Как следует из графиков, класс 13 шероховатости в большей степени определяется энергией импульса, чем длительностью (рис. 2.5). Низко- и среднечастотные режимы f=50–1000 Гц характеризуются повышенной шероховатостью поверхности Rz ≥ 160 мкм. Шероховатость по Ra = 2,6 – 0,63 мкм получают при ЭЭО на частотах 10 - 100 кГц. Рис. 2.5 – Влияние энергии импульса на шероховатость поверхности Поверхностный слой после ЭЭО (рис. 2.6) условно разделяют на следующие зоны: 1. зону насыщения элементами рабочей жидкости; 2. зону проникновения материала ЭИ; 3. белый слой" - застывший слой расплавленного ранее материала; 4. зону термического влияния; 5. зону пластической деформации. Рис. 2.6 – Поверхность после ЭЭО Между зонами нет четких границ, и часто они перекрывают друг друга. Последовательность образования зон, их толщина и структура определяются условиями ЭЭО и материалом ЭЗ. Продукты разложения рабочей жидкости покрывают электроды и диффундируют в поверхностный слой ЭЗ. На поверхности наблюдаются отложения углерода в виде сажи и 14 рабочей жидкости – в виде темных масляных пятен. Диффузия углерода в поверхностный слой приводит к образованию карбидов железа. Образование зоны проникновения материала ЭЗ связано с воздействием на обрабатываемую поверхность паров материала ЭИ. В поверхностных слоях заготовок обнаружены вольфрам, хром, титан, медь, углерод. Так, например, при обработке титановых сплавов медным ЭИ на жестких режимах обнаруживается содержание меди по 1% на глубине по 40 мкм. Действие мощного теплового потока, интенсивный теплоотвод из зоны разряда в тело холодной заготовки создают условия для высокоскоростной закалки. В сочетании с науглероживанием поверхности это приводит к образованию твердого слоя Структура его резко отличается от структуры основного материала и похожа на структуру отбеленного слоя на поверхности чугунов (вследствие мелкозернистости белого слоя на микрошлифе видна белая полоса). Зона термического влияния характеризуется измененной структурой, Несколько повышенной твердостью по сравнению с характеристиками основного материала. В процессе ЭЭO поверхность испытывает значительные ударные воздействии, которые вызывают пластическую деформацию поверхностного слоя. Эта зона характеризуется измельченными зернами структуры, большим числом дислокаций. Общая толщина измененного поверхностного слоя зависит от условий ЭЭО и материалов ЭИ и ЭЗ и составляет от 0,01 - 0,03 мм (при высокочастотной финишной ЭЭО) до 0,3 - 0,5 мм (при ЭЭО на черновых электроимпульсных режимах). При электроконтактной резке на воздухе толщина слоя может достигать 2 - 4 мм. Изменение структуры поверхностного слоя приводит к его наклепу степенью по 30 – 50% и глубиной до 20 - 200 мкм. В поверхностном слое чаще наблюдаются растягивающие, реже сжимающие остаточные напряжения до 700 - 900 МПа с глубиной залегания до 60 - 100 мкм. При некоторых режимах остаточные напряжения могут превышать предел прочности, и на обрабатываемой поверхности образуется сетка микротрещин. Для деталей, работающих при знакопеременных нагрузках, измененный поверхностный слой является дефектным, так как он снижает усталостную прочность материалов на 30–50% и приводит к возникновению трещин. Для деталей, работающих на истирание, поверхностный слой может быть полезным, так как он имеет повышенную в 1,5 - 2 раза износостойкость. Электроискровая обработка. Краткая характеристика. 1. Напряжение U≤ 200 ... 250 В; τ= 10 -4 ... 10 -7 с; q ≥5...10; f =1...880 кГц; сила тока I ≤ 40...50 А; W и ≤ 2...3 Дж. 2. Полярность прямая: обрабатываемая заготовка - анод, инструмент - катод. 3. Рабочая жидкость - керосин, смесь керосина с индустриальными маслами, вода, эмульсии, углеводородное сырье. 4. Межэлектродный зазор 0,02 - 0,1 мм. 5. Интенсивность съема металла до 500 мм 3 /мин, шероховатость от Rz = 40...80 мкм до Ra = 2,5...0,63 мкм, точность 0,02 - 0,20 мм. 6. Слой термического влияния 0,02 - 0,2. 7. Удельный расход электроэнергии 15–70 кВтч/кг. 15 Электроимпульсная обработка. Краткая характеристика. 1. Напряжение U= 20...50 В; τ= 10 -1 ...10 -4 с; q < 5; f =100...2000 Гц; сила тока I = 30...500 А; W и ≥ 5...10 Дж. 2. Полярность обратная: обрабатываемая заготовка - катод, инструмент - анод. 3. Рабочая жидкость индустриальные масла. 4. Межэлектродный зазор 0,05 - 0,2 мм. 5. Интенсивность съема металла до 15000 мм 3 /мин, шероховатость от Rz = 200...500 мкм, точность 0,1 - 0,5 мм. 6. Слой термического влияния 0,2 - 0,5. 7. Удельный расход электроэнергии 8–25 кВтч/кг. Электроконтактная обработка. Краткая характеристика. 1. Напряжение U= 12...22 В; плотность тока j = 100...200 А/см 2 ; инструмент – вращающийся диск со скоростью 30-60 м/с, прижимаемый к заготовке с удельным давлением 0,2 – 1,5 МПа. 2. Рабочая жидкость индустриальные масла. 3. Интенсивность съема металла до 30-50 мм 2 /с, шероховатость Rz > 320 мкм, точность 13-14 квалитет. 4. Слой термического влияния 0,1 - 0,6. 5. Износ ЭИ менее 10…15%. Инструменты для электроискровой и электроимпульсной обработки. При электроискровой и электроимпульсной обработке возможны различные схемы обработки детали (рис. 2.7). Рис. 2.7 – Схемы формобразования при ЭЭО 16 Наиболее часто обработка полостей осуществляется по принципу прошивания с объемным копированием формы электрода (рис. 2.7а). Для выполнения разрезных операций применяется электрод-проволока, перемещающийся относительно детали по заданной траектории (рис. 2.7, б). Помимо движения подачи инструменту может быть сообщено дополнительное движение для выполнения процесса формообразования детали. Благодаря этим дополнительным движениям можно нарезать резьбу (рис. 2.7, в), выполнять внутреннее шлифование (рис. 2.7, г), вырезать пазы (рис. 2.7, д), нарезать зубья (рис. 2.7, е), выполнять плоское шлифование (рис. 2.7, ж), тонкое внутреннее шлифование (рис. 2.7, з). В зависимости от схемы формообразования детали и метода обработки применяют различные инструменты. Различают профилированные и непрофилированные электроды- инструменты. При использовании профилированного электрода-инструмента в обрабатываемой детали отражается частично или полностью форма электрода- инструмента. Формообразование детали с помощью непрофилированного электрода- инструмента осуществляют, сообщая инструменту-электроду или обрабатываемой детали определенный закон перемещения. Профилированный (фасонный) электрод-инструмент состоит из рабочей части, поверхности которой определяют собой форму профиля обработки, и вспомогательных частей, служащих для крепления инструмента и его базирования. Непрофилированный электрод—это проволока различного диаметра. В качестве материалов электродов-инструментов используют медь марок Ml и М2, латунь, алюминиевые сплавы марок Д1, АК7, АЛЗ, АЛ5, медный сплав МЦ4, серый чугун, вольфрам, специальный графитированный материал ЭЭГ. Наиболее широко при электроискровой обработке применяют латунь ЛС-59. Латунные и медные электроды обеспечивают хорошие результаты обработки, однако инструменты из этих материалов подвержены довольно большому износу (до 60–120%). Износостойкость электродов из алюминия и алюминиевых сплавов близка к износостойкости электродов из меди. Однако алюминиевые электроды работают устойчиво не на всех режимах обработки. Повышенный износ алюминиевых электродов наблюдается при силе тока 5—7 А. Электроды- инструменты из серого чугуна применяют, как правило, при обработке вращающимся электродом-инструментом. Вольфрамовые электроды изготовляют в виде проволоки или ленты и используют при обработке жаропрочных материалов. Размеры профилированного электрода-инструмента определяются в зависимости от схемы формообразования детали, величины припуска под последующую обработку, допустимой погрешности электроэрозионной обработки. При этом необходимо учитывать величину межэлектродного зазора (размеры электрода должны быть меньше размеров детали на двойную величину зазора). |