Из истории электроискровой обработки материалов

СТАТЬЯ ИЗ РУБРИКИ: «СТАНКИ И ОБОРУДОВАНИЕ»

From the History of  Electrospark Material Processing
The article is dedicated to the problems and peculiarities concerning the process of electrospark shaping with the help of electrode wire. Built on physical-mechanical properties of this wire the survey is intended to study specifications of the process. The author places emphasis on grooving techniques and analyses the influence of different factors on this process including the studying of defect formation.

Научные основы особо точных методов электроискрового формообразования

Одна из важнейших проблем повышения качества электроискровой обработки — оптимальный выбор материала электрода-проволоки и качество его изготовления. Кроме того, как показывают исследования, а также практика производства, на точность и качество формообразования деталей (шероховатость обработанной поверхности, ее физико-механические свойства, величину образующихся микрозаусенцев) влияют длительность и интенсивность искровых разрядов, формируемых генераторами импульсов.

Б.И. Ставицкий, к.т.н., с.н.с., лауреат Ленинской премии,
Главный конструктор электроискрового оборудования
электронной промышленности, г. Москва (Россия)

ОСОБЕННОСТИ ЭЛЕКТРОИСКРОВОГО ФОРМООБРАЗОВАНИЯ ЭЛЕКТРОДОМ-ПРОВОЛОКОЙ

В электронной промышленности при изготовлении важнейших деталей приборов, таких как сетки клистронов, анодные блоки магнетронов и амплитронов, замедляющие системы ламп обратной волны, катоды и др., применяется электроискровое формообразование электродом-проволокой из меди МБ (Ш 0,08–0,2 мм), вольфрама ВА-3 (Ш 0,05–0,06 мм) и молибдена МЧ (Ш 0,015–0,06 мм).

Физико-механические свойства материала и диаметр электрода-проволоки оказывают существенное влияние на основные технологические характеристики электроискрового формообразования. В частности, этот материал должен обладать высокой механической прочностью, эрозионной устойчивостью, хорошей электро- и теплопроводностью. При низкой эрозионной стойкости межэлектродное пространство интенсивно заполняется продуктами эрозии не только анода, но и катода (электрода-проволоки). Это приводит к значительному ухудшению условий эвакуации продуктов эрозии из зоны обработки, а следовательно, и к снижению интенсивности процесса, а в дальнейшем также и к обрыву проволоки.

Вольфрам, обладающий высокой механической прочностью (в 7 раз больше, чем меди, и в 2 раза — молибдена) является наилучшим материалом для электрода-проволоки. Однако и у него есть недостатки: хотя он и обладает высокой прочностью кристаллической решетки (временное сопротивление разрыву у него почти в 3 раза больше, чем молибдена), сохраняющейся до температуры 700–800 °С, вольфрамовая проволока под действием высоких температур (более 2000 °С) рекристаллизуется и становится ломкой.

ЭРОЗИОННЫЕ ЛУНКИ ПРИ ОБРАБОТКЕ ЭЛЕКТРОДОМ-ПРОВОЛОКОЙ

При изучении форм и размеров лунок, образованных разрядами при электроискровой обработке электродом-проволокой, применялась следующая методика. При определенной энергии импульсов осуществлялось врезание в исследуемый образец. Причем проволока устанавливалась под небольшим углом относительно его поверхности (рис. 1). На рис. 2 показан процесс образования паза на полированной поверхности кремниевой пластины электродом-проволокой Ш 0,04 мм при Wo = 250 мкДж. Здесь можно проследить последовательность образования паза. Сначала появляются отдельно расположенные лунки (а), затем последовательно группы лунок (б), начало прорезаемого паза (в, г) и, наконец, его кромки (д, е). На рис. 2, г слева изображение сфокусировано на поверхности образца, а справа — на дне образующегося паза. При этом размер валиков вокруг лунок определяет и величину микрозаусенцев, образующихся по кромкам: чем больше первые, тем значительнее и вторые, и тем большая часть расплавленного металла не удаляется из лунки, а располагается вокруг ее периметра в виде валика.

На рис. 3 изображен начальный момент формообразования электродом-проволокой Ш 0,3 мм торцевой поверхности паза по известной схеме многократного перекрытия лунок. Генератор импульсов — тиратронный, Wo = 69 000 мкДж, межэлектродная среда — вода питьевая. На фото зафиксирован процесс последовательного перекрытия лунок.

Известно, что диаметр эрозионных лунок изменяется в более широких пределах, чем их глубина. Поэтому в случае, когда по диаметру лунки соизмеримы с электродом, образуются и более широкие пазы.

На рис. 4 представлены участки пазов при увеличении Ч800: правый край паза (а) и его вид при некотором приближении к торцу (б). На рис. 5 — торцевая (а) и боковая (б) поверхности паза. В центе фотографии (а) — новая лунка.

Внешний вид и профилограммы лунок, образованных на разных материалах (меди, стали Х18Н10Т, твердом сплаве ВК-8 и вольфраме монокристаллическом) электродом-проволокой Ш 0,3 мм приведены на рис. 6. Генератор импульсов — также тиратронный, энергия импульсов Wо = 69 000 мкДж. На профилограммах увеличение по Х — Ч200, по Y — Ч2000. Из табл. 1 следует, что для лунок на меди D = 190 мкм и h = 11 мкм характерна форма, близкая к параболоиду вращения (Кф = 0,4). Лунки в стали марки Х18Н10Т (D = 170 мкм и h = 4 мкм) характеризуются в 3 раза меньшей глубиной, плоским дном и, соответственно, в 2 раза меньшим объемом. Лунки на твердом сплаве (D = 150 мкм и h = 3 мкм) имеют меньшую глубину, отношение d/h в 2 раза больше, чем для меди, и неровное дно. Отчетливо видны застывшие капли расплавленного материала, не успевшего оторваться от поверхности. Лунка еще окончательно не сформирована. Это, по-видимому, можно объяснить тем, что возникающие искровые разряды не обладали достаточной эффективностью для расплавления, испарения и выброса частиц карбидов вольфрама, являющихся основой твердого сплава. Лунки на монокристаллическом вольфраме (D = 180 мкм и h = 3 мкм) по форме близки к лункам на стали Х10Н10Т, но имеют меньшую глубину и объем. Соотношение d/h для меди равно 17, что в 2,5 раза меньше, чем для стали, в 3 раза — чем для сплава ВК-8, в 3,5 — чем для вольфрама. Это связано с тем, что d/h (так же, как и удельная величина эрозии) зависит от коэффициента сосредоточенности источника, воздействующего на обрабатываемую поверхность в точке приложения разряда. С уменьшением распределения интенсивности источника тепла по диаметру канала разряда уменьшается объем лунки и растет величина отношения d/h.

В табл. 1 приводятся также значения удельной величины эрозии Кэ, которая для меди в 2,5 раза больше, чем для стали, в 3 раза — чем для вольфрама и в 12,5 раз — чем для твердого сплава. Однако в данном случае для всех металлов значение удельной эрозии значительно меньше ее средней величины. Кстати, обычно для меди удельная величина эрозии на оптимальных режимах может достигать (5–7)·10 –9 мм3/мкДж. Низкое значение Кэ и величины отношения d/h в данном случае свидетельствует о недостаточной эффективности удаления материала из лунки.

На рис. 7 показана взаимосвязь между отношением D/h, объемом лунки V·106 мм3 и интегральными характеристиками процесса — средним значением производительности Vs в мм2/мин и величиной шероховатости Ra для каждого исследуемого материала. Это подтверждает возможность использования сведений о геометрических размерах, объеме и особенностях рельефа эрозионных лунок для сравнительной оценки используемых режимов.

Таким образом, можно сделать вывод, что наличие или отсутствие выступов на дне лунок, различная ширина валика по краям, соотношение между объемом удаляемого вещества и размерами валика, а также отношение D/h характеризуют процесс формирования поверхности и эффективность электроискрового воздействия на материал, т. е. степень использования энергии разряда на удаление материала с обрабатываемой поверхности.

МАКРОГЕОМЕТРИЯ ПОВЕРХНОСТИ ПАЗА, ФОРМООБРАЗУЕМОГО ЭЛЕКТРОДОМ-ПРОВОЛОКОЙ

Макрогеометрия поверхности паза, формообразуемого электродом-проволокой, характеризуется наличием макронеровностей, основные виды которых представлены на рис. 8, а–в. Наличие волнистости (а) определяется действием таких факторов, как недостаточная точность изготовления механических узлов станка, низкое качество направляющих электрода-проволоки, ее колебания и других. Отдельные макронеровности (б) и зарезы (в) характерны при обработке микродеталей в ручном режиме или при неравномерности подач, задержке их переключения и других случайных факторах.

Эксперименты по прорезанию пазов электродом-проволокой Ш 50–60 мкм показали, что образование макронеровностей может вызываться низким качеством проволоки, наличием на ее поверхности неровностей и заусенцев. На рис. 9 приведены фотографии отдельных участков молибденовой проволоки Ш 60 мкм и соответствующие пазы, прорезанные ею. При использовании проволоки с заусенцами и отдельными утолщениями или «наростами» (а) на ее поверхности величиной 10–25 мкм образуется поверхность с соответствующими неровностями, превышающими или соизмеримыми с величиной межэлектродного зазора. Это оказывает существенное влияние на процесс формообразования поверхности паза при электроискровом вырезании тонкой проволокой и отражается на рельефе боковой поверхности паза (показанной на фото справа от проволоки). Отсутствие каких-либо загрязнений проволоки (в) гарантирует высокое качество пазов.

ОСОБЕННОСТИ ФОРМИРОВАНИЯ ШЕРОХОВАТОСТИ ПОВЕРХНОСТИ ПАЗА ПРИ ОБРАБОТКЕ ЭЛЕКТРОДОМ-ПРОВОЛОКОЙ

Схема образования паза представлена на рис. 10:

В = d + lпр+ hл = d + ?,

где B— ширина паза; d — диаметр электрода-проволоки; lпр — пробивной промежуток; hл — глубина лунки; ? — межэлектродный зазор.

Шероховатость поверхности после электроискровой обработки связана с параметрами лунок, возникающих под действием искровых разрядов. К таким параметрам относятся диаметр D, глубина лунки hл, высота валика по периферии лунки и соотношение D/hл.

Максимальную величину шероховатости можно оценить по формулам

1/3 hл ? Rz ? hл при 1 ? ? ? 2 ;

Rz = ? 2/3·[hл·Rл 2/ (Rл2+hл)],

где ? — коэффициент перекрытия лунок. Наиболее вероятное значение ? = 1,1.

Оценка шероховатости поверхности при электроискровом вырезании проволокой Ш 0,3 мм и Ш 0,05 мм проводилась на установке с тиратронным генератором при энергиях импульсов Wo, отличающихся на три порядка — 65 мкДж и 65000 мкДж. В зависимости от режима обработки средний диаметр лунок может быть либо значительно меньшим, либо соизмеримым с диаметром электрода-проволоки. В том случае, когда эрозионный след по диаметру значительно меньше электрода-проволоки, формирование поверхности осуществляется по обычной схеме путем многократного взаимного перекрытия лунок. При этом величина шероховатости поверхности Rz не превышает глубины лунки hл.

При изучении рельефа поверхности паза применялась следующая методика. Медным электродом-проволокой Ш 0,3 мм прорезались пазы в трех пластинах, собранных вместе без зазора, толщиной p = 5 мм, h2 = 0,07 мм и h3 = 20 мм. Толщина первой и третьей пластин выбиралась произвольно, а средней — определялась из условия h2 < D. При этом на тонкой пластине можно наблюдать сечение паза, прорезанного одновременно в трех из них.

Если диаметр лунки соизмерим с диаметром электрода-проволоки, то формирование рельефа поверхности отличается от обычной схемы. На рис. 11 приводится сечение паза, прорезанного в медных пластинах электродом-проволокой Ш 0,3 мм.

На приведенной фотографии видно различие в формировании шероховатости поверхности торцевой и боковой частей паза. Торцевая поверхность формируется по известной схеме в результате многократного взаимного перекрытия лунок, а боковая формируется в основном периферией лунок за счет разброса диаметра лунок, который изменяется в значительно более широких пределах, чем их глубина. При этом ширина паза равна примерно двум диаметрам лунки. Следует отметить, что микронеровности торцевой поверхности значительно меньше боковой. Различия в механизмах формирования рельефа этих поверхностей паза, а также возникновение отдельных лунок уже на обработанной поверхности вследствие возникновения боковых разрядов приводят к увеличению ширины паза.

При повышенных требованиях к качеству поверхности режим обработки должен выбираться таким образом, чтобы диаметр образующихся лунок был значительно меньше диаметра проволоки. Применение же малых энергий импульсов микросекундной длительности, обеспечивающих высокое качество обработки, при использовании проволок Ш 0,2–0,3 мм будет связано с неоправданно низкой скоростью формообразования. Это определяется большой шириной паза и необходимостью удаления из зоны обработки излишних объемов металла в связи с тем, что ширина паза B зависит от диаметра проволоки d и межэлектродного зазора ?. Уменьшение длительности импульсов при одновременном увеличении их амплитуды и плотности теплового потока приводит к значительному увеличению доли материала, удаляемой в мелкодисперсной фазе, и более интенсивному его выбросу с обрабатываемой поверхности.

На рис. 12, а, б представлены фотографии, сделанные с помощью электронного микроскопа на образцах меди, обработанных электроискровым способом на двух режимах. Показанная на рис. 12, а поверхность обработана более длинными искровыми разрядами (t = 0,6 мкс, Сш = 0), поэтому металл удалялся преимущественно в расплавленном состоянии. Вследствие недостаточной эффективности процесса значительная доля расплава оказалась не выброшенной с поверхности.

С уменьшением длительности импульсов и увеличением при этом плотности теплового потока становится более значительной доля испаренного металла и, кроме того, более интенсивное удаление его в расплавленном виде. Такое различие в формировании шероховатости поверхности сказывается и на процессе появления микрозаусенцев на кромках пазов.

На рис. 13 приводятся фото участков пазов и их кромок. Из них видно, что повышение эффективности процесса (уменьшение длительности импульса и увеличение при этом плотности теплового потока) значительно снижает величину микрозаусенцев.

Полученные сведения о влиянии изменения рельефа поверхности лунок на технологические показатели процесса сделали возможным управление качеством поверхности, а также повышение эффективности использования энергии искровых разрядов.

АНАЛИЗ ВЛИЯНИЯ ПАРАМЕТРОВ РАЗРЯДНОЙ ЦЕПИ ГЕНЕРАТОРА С ИМПУЛЬСНЫМ ТРАНСФОРМАТОРОМ НА ФОРМИРОВАНИЕ ПАЗОВ

Анализ влияния параметров разрядной цепи на формирование пазов проводился на тиратронном генераторе импульсов (ГИ) с импульсным трансформатором (ИТ), в разрядную цепь которого включалось дополнительно безындукционное сопротивление (Rд) и шунтирующая емкость Сш (рис. 14). При их подключении особую роль играет передний фронт импульса напряжения. Кроме того, большое значение имеет энергия, запасенная в Сш к моменту пробоя.

Применяемая при прорезании узких пазов вольфрамовая или молибденовая проволоки диаметром несколько сотых долей миллиметра имеют, как известно, значительное электрическое сопротивление, составляющее несколько единиц или десятков Ом. Поэтому последовательно с электродами в зарядную цепь шунтирующего конденсатора включалось безындукционное сопротивление, величина которого выбиралась несколько больше величины электрического сопротивления разрядного контура.

Рассмотрим влияние включения в разрядную цепь тиратронного генератора с импульсным трансформатором безындукционного сопротивления и емкости на формирование переднего фронта импульсов напряжения и на показатели качества поверхности.

Влияние Rд и Сш на изменение длительности переднего фронта импульсов показано на рис. 15 и 16. Видно, что в зависимости от величины Rд меняется крутизна и длительность переднего фронта импульсов напряжения (рис. 17).

Включение сопротивления в разрядную цепь до некоторой степени уменьшает влияние индуктивности рассеяния импульсного трансформатора при формировании переднего фронта импульсов напряжения, что повышает долю энергии, запасенной в конденсаторе Сш. При пробое ток в межэлектродном промежутке определяется суперпозицией двух составляющих токов, протекающих через Сн и Сш. При определенном значении Сш наблюдается форсирование импульса тока. Установлено, что чем круче фронт импульса напряжения, тем при большем его значении происходит пробой промежутка.

Наилучшие условия для формирования импульсов напряжения для рассматриваемого случая достигаются при добавочном сопротивлении Rд порядка 4–7 Ом и емкости Сш ? 2000–3000 пФ.

На рис. 18 представлены экспериментальные зависимости величины микрозаусенцев от емкости шунтирующего конденсатора при прорезании пазов в медных пластинах толщиной 0,28 мм (а) и 2 мм (б). Зависимость имеет ярко выраженный минимум при 2500–3000 пФ. Кроме того, при изменении шунтирующей электроды емкости (рис. 19) изменяется рассеяние средней величины микрозаусенцев, достигая минимума при оптимальном значении Сш. Аналогичные зависимости наблюдаются и при обработке других материалов, например вольфрама
(рис. 20). Микрозаусенцы на нем меньше, чем на меди, что объясняется различием их теплофизических свойств и процесса формирования лунок и рельефа поверхности (рис. 21).

Следует отметить, что без включения в разрядную цепь дополнительного сопротивления не наблюдается изменения величины микрозаусенцев в зависимости от величины емкости Сш, подсоединенной параллельно электродам, так как в этом случае подключение конденсатора не оказывает существенного влияния на формирование импульса рабочего тока.

На рис. 22 представлены фотографии лунок и пазов для случая обработки при Сш = 0 (а)
и Сш =2500 пФ (б), а на рис. 23 — осциллограммы рабочего тока при Сш = 0 (а) и Сш = 2500 пФ (б). Электрод-инструмент — молибденовая проволока МЧ Ш 0,05 мм. Соответствующие параметры лунок, импульсов тока и величины микрозаусенцев для случая прорезания пазов в меди представлены в табл. 2. Из нее следует, что диаметры лунок при отсутствии конденсатора, шунтирующего электроды (т. е. Сш = 0) и Сш = 2500 пФ, отличаются незначительно, объемы лунок — в 7 раз, а микрозаусенцы — более чем в 3 раза.

Рекламодатели

Партнёры

Новостная рассылка

Будьте в курсе наших последних новостей. Оформите бесплатно персональную новостную рассылку.