Электроэрозионные станки: для чего нужны и как работают

Электроэрозионная обработка, является одним из самых ранних и наиболее широко используемых процессов обработки. Основным преимуществом электроэрозии является то, что она способна обрабатывать электропроводящие материалы независимо от их твердости, прочности и других механических свойств. Электроэрозионный станок способен обрабатывать детали и компоненты со сложной геометрией, сохраняя высокий уровень точности размеров и чистоты поверхностного слоя. В настоящее время электроэрозионная обработка широко используется для многих важных операций в производстве штампов и пресс-форм, а также в различных отраслях промышленности, таких как аэрокосмическая, автомобильная, микроэлектронная и биомедицинская. Проволочно-вырезная и копировально-прошивная электроэрозионные обработки являются двумя основными типами, но также существуют и электроэрозионные сверлильные станки (супердрели), которые прекрасно зарекомендовали себя на рынке. В связи с растущей тенденцией к миниатюризации, электроэрозионная обработка в микромасштабе становится все более популярной.

Принцип работы электроэрозионного станка

Основной принцип электроэрозионной обработки одинаков для электроэрозионной копировально-прошивной обработки, проволочно-вырезной электроэрозионной обработки, а также супердрелей. Процесс электроэрозии заключается в обработке электропроводящих материалов с помощью быстрых повторяющихся искровых разрядов в диэлектрической жидкости, между электродом-инструментом и заготовкой. На рисунке 1 схематично представлен основной принцип электроэрозионной обработки.

Рисунок 1. Схематичное изображение процесса электроэрозионной обработки

В процессе электроэрозионной обработки к электропроводящему инструменту прикладывается разность потенциалов, между электродом-инструментом и обрабатываемой заготовкой формируется искра. Электрод-инструмент движется к заготовке находясь в диэлектрической среде (обычно это деионизированная вода или углеводородное масло, которое действует как изолятор и охлаждающая жидкость). Поскольку изолирующий эффект диэлектрической жидкости нарушается в сильном электрическом поле, это приводит к разряду одиночной искры между электрод-инструментом и заготовкой. Величина тока, которую можно найти по напряжению открытого промежутка и сопротивлению, определяет энергию искры и, следовательно, площадь искрового промежутка. Так как период времени, в который ток включения и выключения известен как длительность импульса и временной интервал между импульсами, он способствует восстановлению в области искрового промежутка, таких условий, которые необходимы для нового разряда. Кратер, образующийся в результате взрыва парового пузыря, выбрасывает удаляемый материал в виде крошечных шариков и рассеивается в диэлектрике, который в свою очередь смывается в течение интервала между импульсами. Поскольку фасонный электрод определяет площадь, в которой будет происходить электроэрозия, точность обработки довольно высока. Следует также отметить, что электрод-инструмент должен обладать более высокой электропроводностью по сравнению с заготовкой, поэтому материал, из которого его изготавливают, как правило медь или графит.

Когда требуется глухая полость, или прямые углы на стенках, это не является проблемой для электроэрозии, так как сформированный электрод –инструмент имеет ответную форму и изготовить его существенно легче. Затем с помощью электрического тока сформированный электрод-инструмент, окруженный диэлектрической средой, воспроизводит свою форму в заготовке (см. рисунок 2).

Рисунок 2. Электрод-инструмент и обрабатываемая заготовка

Электроэрозионный копировально-прошивной станок

В копировально-прошивных станках при обработке используется искровая эрозия для удаления металла (см. рисунок 3). Блок питания генерирует электрические импульсы между заготовкой и электродом-инструментом. Небольшой зазор между электрод-инструментом и заготовкой пропускает поток диэлектрического масла. Когда подается достаточно напряжения, диэлектрическое масло ионизируется, а контролируемые искры расплавляют и испаряют удаляемый материал с поверхности заготовки. Диэлектрическое масло под давлением охлаждает испаренный металл и удаляет эродированные частицы материала из раковины. Система фильтрации очищает взвешенные частицы от диэлектрического масла. Масло проходит через охладитель, чтобы отвести выработанное тепло от процесса искровой эрозии. Охладитель поддерживает постоянную температуру масла, что в свою очередь способствует повышению точности обработки. Тем не менее, генератор производит искры вдоль поверхности сформированного электрода. Сервомеханизм поддерживает зазор между электродом и заготовкой. Исполнительные органы станка, оснащенные сервоприводами, предотвращают соприкосновение электрода с заготовкой. Если электрод-инструмент коснется заготовки, то это вызовет короткое замыкание и процесс остановиться.

Рисунок 3. Копировально-прошивной станок

Электроэрозионный проволочно-вырезной станок

Проволочно-вырезная электроэрозионная обработка является одной из величайших инноваций, повлиявшая на инструментальную и механообрабатывающую промышленность. Этот процесс привел к серьезным улучшениям в отрасли с точки зрения точности, качества, производительности обработки. До проволочно-вырезной электроэрозионной обработки, для производства деталей часто использовались дорогостоящие процессы. Теперь с помощью компьютера и проволочных электроэрозионных станков можно с легкостью обработать чрезвычайно сложное геометрические формы в автоматическом режиме, точно и экономично, даже в таких труднообрабатываемых материалов, как карбид вольфрама. Будь то обработка дюрали, закаленной стали, суперсплавов или карбида вольфрама, с помощью современных высокопроизводительных электроэрозионных станков (см. рисунок 4) получается более высокое качество поверхностного слоя и в некоторых случаях даже сокращается время обработки.

Рисунок 4. Электроэрозионный проволочно-вырезной станок TeLue TG2000

Сегодня проволочно-вырезная электроэрозионная обработка составляет серьезную конкуренцию традиционной обработке, такой как фрезерование, протяжка, шлифовка и мелкосерийная штамповка. Принято считать, что проволочно-вырезной электроэрозионный станок конкурентоспособен только при работе с дорогими и труднообрабатываемыми деталями. Проволочно-вырезная электроэрозионная обработка часто используется при обработке простых форм и легко обрабатываемых материалов. Проволочно-вырезной электроэрозионный станок использует подвижный проволочный электрод-инструмент, который проходит через заготовку и контролируется системой числового программного управления. Как и любой другой обрабатывающий инструмент он удаляет материал, но в данном случае удаление материала происходит с помощью электричества посредством искровой эрозии. Следовательно, материал заготовки, должен быть электропроводным. Между проволочным электродом-инструментом и электродом-заготовкой генерируются электрические импульсы постоянного тока. Между проволокой и заготовкой находится экран из деионизированной воды, которая называется диэлектриком. Чистая вода является изолятором, но водопроводная вода обычно содержит минералы, из-за которых вода становится слишком проводящей для проволочной электроэрозионной обработки. Прохождение через резервуар для смолы, позволяет контролировать проводимость воды и удалить из нее большую часть ее проводящих элементов — это называется процессом деионизации воды. Когда станок режет, проводимость воды имеет тенденцию к повышению, и насос автоматически нагнетает воду через резервуар со смолой. Затем контролируемая искра точно разрушает небольшой участок заготовки, заставляя ее плавиться и испаряться. Эти электрические импульсы повторяются тысячи раз в секунду, при этом под давлением охлаждающая жидкость, диэлектрик, охлаждает испаренный металл и эвакуирует затвердевшие частицы эрозии из зазора. Диэлектрическая жидкость проходит через фильтр, удаляющий взвешенные частицы. Смола удаляет растворенные частицы, в свою очередь фильтры удаляют взвешенные частицы. Для поддержания точности станка и обработки детали, диэлектрическая жидкость проходит через охладитель, чтобы удерживать постоянную температуру жидкости. Сервосистема постоянного или переменного тока поддерживает зазор от 0,025 до 0,07 мм между проволочным электродом и заготовкой. Сервомеханизм предотвращает проволочный электрод-инструмент от короткого замыкания на заготовку и управляет исполнительными органами станка для обеспечения желаемой формы обработки. Проволочный электрод-инструмент обычно представляет собой катушку из латуни или латунно-цинковой проволоки диаметром от 0,025 до 0,357 мм, иногда используется молибденовая или вольфрамовая проволока. В процессе резания новая проволока непрерывно подается в зону резания, этим и объясняется исключительная точность и повторяемость проволочной электроэрозионной обработки.

Электроэрозионный сверлильный станок

Электроэрозионные сверлильные станки (супердрели) давно известны инструментальной промышленности. Они используются, как правило, для сверления заходных отверстий для последующей обработки на проволочно-вырезном станке. При этом глубина сверления составляет в некоторых производственных задачах до 500 мм, а диаметр начинается от 0.1 мм. Современные модели таких станков могут быть оборудованы электроприводом осей, полноценной системой числового программного управления для автоматической обработки нескольких отверстий, компенсации износа электрода-трубки и даже автоматическим сменщиком электродов. Важным требованием для последующей заправки проволоки в вырезной станок - является вертикальность. У супердрелей она всегда на высочайшем уровне и это легко объяснимо. Электроэрозионная обработка - немеханическое, силовое воздействие, которое могло бы деформировать электрод-инструмент или отверстие, практически отсутствует. К тому же он еще и вращается, образуя тело вращения в заготовке. На практике, отверстие полученное после прожига обычно больше диаметра электрода на 8-15%, в зависимости от приоритета скорости или качества обработки.

Рисунок 5. Электроэрозионный сверлильный станок (супердрель)

Супердрель незаменима для авиастроения и энергетики, она позволяет сверлить отверстия диаметром от 0,1 мм в лопатках газотурбинных двигателей и форсунках, создавать охлаждающие отверстия в режущем инструменте, не теряя при этом возможности еще быстрее и чище делать заходные отверстия в инструментальном производстве. Минимальная длительность импульса может составлять сотни наносекунд. Также генераторы позволяют выполнять орбитальные движения, ранее недоступные для «супердрелей». Сегодня такие станки имеют широкие возможности автоматизации работы. Для этого их оснащают автосменщиком электродов и их направляющих, есть возможность роботизации. Используя интеллектуальное управление износом электрода, система управления выбирает подходящий электрод, а после обработки вносит коррекции на износ.