Физические основы эдектроэрозионной размерной обработки

Цель работы: изучить физические основы процесса электроэрози­онной обработки (ЭЭО) и ознакомиться с работой электроэрозионного станка.

Теоретическая часть

Общие сведения о ЭЭО

Электрической эрозией токопроводящих материалов называют раз­рушение поверхности деталей под действием электрических разрядов. Электрическая эрозия, например, разрушает контакты переключающих устройств электрического тока при их замыкании и размыкании.

Изучая пути уменьшения разрушающего действия электрической эрозии, советские ученые Б.Р.Лазаренко и Н.И.Лазаренко в 1943 го­ду предложили применить процесс электрической эрозии с полезной целью: для размерной обработки деталей. За открытие электроэрози­онного способа обработки супруги Б.Р.и Н.И.Лазаренко были удос­тоены Государственной премии СССР,

При электроэрозионной обработке (рис.4.1) электрод-заготовку (Э3) и электрод-инструмент (ЭИ) помещают в ванну с диэлектричес­кой жидкостью (керосин, индуст­риальное масло) и на них от ге­нератора импульсов (ГИ) подает­ся импульсное напряжение

(U=20...200 В).

Частота импульсов f= 400...10⁶ Гц, длительность импуль­са τ_И=10^-7...10^-3 с, скваж­ность q = Т_И/t_И, где Т_И - период.

При перемещений ЭИ и достижении межэлектродного зазора (МЭЗ) на торце ЭИ а = 0,01...0,15 мм происходит электрический пробой слоя диэлектрической жидкости с образованием канала разряда. В ка­нале разряда выделяется большое количество тепла, под действием которого противоположные участки электродов расплавляются и испа­ряются, образуя небольшие углубления - лунки в форме сферического сегмента. Продукты эрозии выбрасываются из зоны разряда в окружаю­щую среду, застывают в виде металлических шариков и уносятся рабочей жидкостью.

При подаче на электроды следующего импульса напряжения раз­ряд и лунка образуются па соседнем участке и т.д. Такими микродо­зами (рис.4.2) снимается материал электрода-заготовки, и при перемещении ЭИ образуется тре­буемая конфигурация элемента детали; например, отверстие.

В настоящее время электроэрозионная обра­ботка эффективно применяется при изготовле­нии лопаток газовых турбин, для формообразова­ния полостей ковочных штампов, пресс-форм, при прошивке пазов, отверстий малого сечения, Фа­сонных отверстий и карманов в различных дета­лях. Электроэрозионным способом клеймят дета­ ли, проводят фасонную вырезку, извлекают из отверстии сломанные сверла, метчики, упрочняют и легируют поверхности деталей и т.д.

Механизм процесса электрической эрозии

При сближении электродов, подаче на них импульса напряжения и достижении предельной напряженности электрического поля Е_пр=U_пр/а в МЭП происходит электрический пробой слоя диэлектрической жидкос­ти. Например, в керосине при а = 0,05 ммпробивное напряжение U_пр=160 В, а соответствующая напряженность электрического пола Е_пр = 3·10⁶ В/м.

 

 

 

В диэлектрике всего имеются свободные электроны. Ори сообще­нии им энергии электрического импульса, вследствие процесса ударной ионизации атомов электронами, столб диэлектрической жидкости ионизируется, образуется цилиндрическая электропроводная область -канал проводимости. Время пробоя составляет t_пр ≈ 0,1 мкс. В кана­ле проводимости, заполненном плазмой, происходит электрический разряд между электродами.

Поверхность анода нагревается в результате бомбардировки ее электронами, а катода - положительными ионами. В начальной стадии разряд обусловлен электронами и ионами рабочей жидкости, далее -ионами и электронами материалов электродов. Диаметр поперечного сечения и длина канала проводимости малы (0,1 ÷ 1 мм). Поэтому плот­ность тепловой энергии и температура достигают больших значений. Температура в канале разряда составляет до 40 000°С, на поверхнос­тях электродов - 10 000°С. Удельная мощность разряда - до 10⁸ Вт/см². В основаниях канала разряда происходит плавление, испарение, выплескивание материала электродов.

 

 

Рабочая жидкость в канале раз­ряда и близлежащих областях разлагается и испаряется. В результа­те этого в жидкости образуются газы и смолистые вещества, отлагаю­щиеся на частицах металла» Из газовой среды выделяется углерод, ко­торый в виде тонкой пленки графита покрывает нагретые

поверхности электродов. Около канала проводимости образуется газовый пузырь (рис.4.3) из паров рабочей жидкости и материалов электродов.

Газовый пузырь под действием внутри него высокого давления до 20 МПа (200 кгс/см²) расширяется, образуя ударную волну в жид­кости. В начальный момент времени скорость движения ударной волны составляет до 200 м/с. После окончания действия импульса тока га­зовый пузырь еще некоторое время продолжает расширяться. При этом давление внутри него падает, расплавленный металл вскипает и вы­плескивается из лунок в МЭП (рис.4.4). Ударная волна газового пу­зыря гасится рабочей жидкостью. Даше происходит остывание канала разряда и деионизации вещества в МЭП. Электрическая прочность меж­электродного промежутка восстанавливается. Время деионизации жид­кого диэлектрика составляет t_Д = 10^-6...10^-2 с.

Закономерности изменения параметров процесса: тока разряда I, давления в газовом пузыре Р, диаметра газового пузыря D и тем­пературы поверхности лунки Т но времени изображены графически (рис.4.5).

После окончания разряда на поверхностях электродов образуют­ся лунки. Форма лунки в первом приближении представляет шаровой сегмент (рис.4.6).

 

 

Размеры образующихся лунок зависят от параметров импульсов то­ка, материалов электродов, состава рабочей жидкости, полярности включения электродов. На практике d_Л≈1...2 мм.

Диаметр и глубину лунок определяют в основном по эмпирическим формулам вида

где d_Л, h_Л- в мкм; W_И - энергия импульса, мкДж; к₁, к₂ - ко­эффициенты, зависящие от материала электродов и состава рабочей среды. Например, при медных электродах и ЭЭО в керосине к₁=4, к₂= 0,45 кг^-1/3·м^1/3·с^2/3.

Размеры лунки характеризуют также соотношением к = r_А/h_А ≈ 5...12.

Порядок проведения работы

Подготовка к эксперименту

1. Изучить электроэрозионный станок модели 41721M.

2. Изучить правила техники безопасности (приложение 1).

3. В табл.4.1 записать название и ха­рактеристики измерительных приборов.

4. Измерить штангенциркулем диаметр d ЭИ и толщину h ЭЗ (рис.4.7).

5. На столе станка установить деталь и закрепить ее. В патроне закрепить электрод-ин­струмент.

6. Поднять ванну.

Проведение эксперимента

1. В соответствии с порядком работы на станке на лицевой пане­ли генератора включить необходимые переключатели, кнопки и тумблеры.

2. Прошить отверстие в детали, измеряя с помощью секундомера время прошивки и записывая значения рабочего напряжения и тока в различные моменты времени в табл.4.2 отчета.

3. Зарисовать форму импульса напряжения с осциллографа.

4. По окончании работы выключить генератор и станок, снять деталь, измерить диаметр d_ОТВ прошитого отверстая. Рассчитать ско­рость прошивки υ=h/t.

Контрольные вопросы

1. Что такое электроэрозионная обработка материала(ЭЭО)?

2. Каков механизм образования проводящего канала в диэлектри­ческой жидкости между катодом и анодом?

3. Какие процессы при ЭЭО приводят к съему материала заготовки?

4. Назовите основные узлы электроэрозионного станка.

5. Объясните методику проведения эксперимента.

ОТЧЕТ

По лабораторной работе № 4 (ЭЭО-1)

 

студентов (Ф.И.О., № группы) ________________________________________

__________________________________________________________________

 

1. Механизм электрической эрозии

 

2. Характеристики ЭИ и Э3:

материал ЗИ___________________________; d = _________ мм;

материал Э3___________________________; h = _________ мм.

3.Режим ЭЭО: полярность _________; скважность q = _________;

часто­та импульсов f = _________ кГц; рабочая среда _________.

4. Характеристики измерительных приборов

 

Таблица № 4.1

п/п	Измеряемая величина	Измерительный прибор	Класс точности, цена деления
	Диаметр ЭИ
	Толщина Э3
	Время
	Сила тока
	Напряжение
	Диаметр прошито­го отверстия

 

5. Результаты эксперимента Таблица №4.2

t, с
U, В
I, А

 

Диаметр прошитого отверстия d_OTВ = _____________________ мм.

Скорость υ_т =h/t = _______________________мм/мин.

 

Форма импульсов напряжения