Введение
Электрическая разрядная обработка (EDM), также известная как искровая обработка, искровая эрозия, электроэрозионное врезание, проволочно-электрическая эрозия или эрозия проволокой, является процессом обработки металла, при котором желаемая форма достигается посредством электрических разрядов (искр). Материал удаляется с заготовки серией быстро повторяющихся импульсов тока между двумя электродами, разделенными диэлектрической жидкостью и находящимися под электрическим напряжением. Один из электродов называется инструментом, или просто электродом, а другой – электродом заготовки, или заготовкой. Процесс основан на отсутствии физического контакта между инструментом и заготовкой. Сверхтвердые материалы, такие как карбиды, керамика, титановые сплавы и термообработанные инструментальные стали, которые чрезвычайно сложно обрабатывать традиционными методами, могут быть прецизионно обработаны с помощью EDM. При увеличении напряжения между двумя электродами интенсивность электрического поля в объеме между ними возрастает, вызывая диэлектрический пробой жидкости и образуя электрическую дугу. В результате материал удаляется с обоих электродов. После прекращения тока (или его остановки, в зависимости от типа генератора) в межэлектродное пространство подается новая диэлектрическая жидкость, что позволяет удалить твердые частицы (осколки) и восстановить изоляционные свойства диэлектрика. Подача новой диэлектрической жидкости в межэлектродное пространство обычно называется промывкой. После прохождения тока напряжение между электродами восстанавливается до исходного значения, чтобы произошел новый диэлектрический пробой и цикл повторился.
Electrical discharge machining (EDM), also known as spark machining, spark eroding, die sinking, wire burning or wire erosion, is a metal
fabrication process whereby a desired shape is obtained by using electrical discharges (sparks). Material is removed from the work piece by a series of rapidly recurring current discharges between two electrodes, separated by a dielectric liquid and subject to an electric voltage. One of the electrodes is called the tool electrode, or simply the tool or electrode, while the other is called the workpiece electrode, or work piece. The process depends upon the tool and work piece not making physical contact. Extremely hard materials like carbides, ceramics, titanium alloys and heat treated tool steels that are very difficult to machine using conventional machining can be precisely machined by EDM. When the voltage between the two electrodes is increased, the intensity of the electric field in the volume between the electrodes becomes greater, causing dielectric break down of the liquid, and produces an electric arc. As a result, material is removed from the electrodes. Once the current stops (or is stopped, depending on the type of generator), new liquid dielectric is conveyed into the inter electrode volume, enabling the solid particles (debris) to be carried away and the insulating properties of the dielectric to be restored. Adding new liquid dielectric in the inter electrode volume is commonly referred to as flushing. After a current flow, the voltage between the electrodes is restored to what it was before the breakdown, so that a new liquid dielectric breakdown can occur to repeat the cycle.
История
Эрозионное воздействие электрических разрядов впервые было отмечено в 1770 году английским физиком Джозефом Пристли.
Станция для обработки электродинамики
В 1943 году двум советским ученым, Б. Р. Лазаренко и Н. И. Лазаренко, было поручено исследовать способы предотвращения эрозии вольфрамовых электрических контактов, вызванной искрением. Они не достигли успеха в этой задаче, но обнаружили, что эрозия более точно контролируется, если электроды погружены в диэлектрическую жидкость. Это привело их к изобретению станка электроэрозионной обработки (EDM), используемого для обработки труднообрабатываемых материалов, таких как вольфрам. Станок Лазаренко известен как станок типа R C, в честь RC-цепи (резистор-конденсаторной схемы), используемой для зарядки электродов. Одновременно, но независимо, американская команда, состоящая из Гарольда Старка, Виктора Хардинга и Джека Бивера, разработала станок EDM для извлечения сломанных сверл и метчиков из алюминиевых отливок. Изначально они строили свои станки на базе маломощных электроэрозионных инструментов, что не принесло больших успехов. Однако, более мощные генераторы искр, в сочетании с автоматическим повторением искры и системой замены жидкости с использованием электромагнитного прерывателя, позволили создать практичные станки. Станки Старка, Хардинга и Бивера генерировали 60 искр в секунду. Впоследствии, станки, разработанные на их основе, использовали вакуумные ламповые схемы, которые генерировали тысячи искр в секунду, значительно увеличивая скорость резания.
Стройные электродинамические станции
Машины проволочно-вырезного типа появились в 1960-х годах для изготовления инструментов (штампов) из закаленной стали. Электрод инструмента в электроэрозионной обработке проволокой (ЭЭОП) – это просто проволока. Чтобы избежать эрозии проволоки, вызывающей её обрыв, проволока наматывается между двумя катушками, так что активная часть проволоки постоянно меняется. Первые станки с числовым программным управлением (ЧПУ) были созданы на основе вертикальных фрезерных станков с перфолентой. Первый коммерчески доступный станок ЧПУ, построенный как станок проволочно-вырезной ЭЭОП, был изготовлен в СССР в 1967 году. Машины, способные оптически следовать линиям на эскизе, были разработаны группой Дэвида Х. Дулебона в 1960-х годах в компании Andrew Engineering Company для фрезерных и шлифовальных станков. Для большей точности эскизы позже создавались с помощью плоттеров с компьютерным числовым программным управлением (CNC). В 1974 году был создан станок ЭЭОП, использующий CNC-плоттер для создания эскиза и оптический следящий за линией механизм. Позже Дулебон использовал ту же CNC-программу плоттера для непосредственного управления станком ЭЭОП, и первый станок ЭЭОП с ЧПУ был произведен в 1976 году. Коммерческие возможности и применение ЭЭОП значительно продвинулись в последние десятилетия. Увеличились скорости подачи. ЭЭОП позволяет вырезать сложные контуры или полости в предварительно закаленной стали без необходимости термообработки для её смягчения и повторной закалки. Этот метод может быть использован с любым другим металлом или сплавом, таким как титан, хастеллой, ковар и инконель. Также сообщалось о применении этого процесса для изготовления поликристаллических алмазных инструментов. ЭЭОП часто относят к группе "нетрадиционных" или "неконвенциональных" методов обработки, наряду с такими процессами, как электрохимическая обработка (ЭХО), водоструйная резка (ВР, АВР), лазерная резка, в отличие от "традиционной" группы (точение, фрезерование, шлифование, сверление и любой другой процесс, механизм удаления материала которого основан на механических силах). В идеале, ЭЭОП можно рассматривать как серию пробоев и восстановления жидкого диэлектрика между электродами. Однако следует соблюдать осторожность при рассмотрении такого утверждения, поскольку это идеализированная модель процесса, введенная для описания основных идей, лежащих в его основе. Тем не менее, любое практическое применение включает множество аспектов, которые также могут потребовать рассмотрения. Например, удаление продуктов эрозии из межэлектродного пространства, вероятно, всегда будет частичным. Таким образом, электрические свойства диэлектрика в межэлектродном пространстве могут отличаться от их номинальных значений и даже изменяться со временем. Расстояние между электродами, часто также называемое зазором искры, является результатом алгоритмов управления конкретного используемого станка. Контроль этого расстояния, по-видимому, логически является центральным в этом процессе. Кроме того, не весь ток между электродами соответствует идеальному типу, описанному выше: зазор искры может быть закорочен продуктами эрозии. Система управления электродом может не реагировать достаточно быстро, чтобы предотвратить контакт двух электродов (инструмента и заготовки), что приводит к короткому замыканию. Это нежелательно, поскольку короткое замыкание способствует удалению материала иначе, чем в идеальном случае. Промывочная жидкость может быть недостаточной для восстановления изолирующих свойств диэлектрика, так что ток всегда происходит в одной точке межэлектродного пространства (это называется дугообразованием), что приводит к нежелательному изменению формы (повреждению) электрода инструмента и заготовки. В конечном счете, описание этого процесса, подходящее для конкретной цели, делает область ЭЭОП такой богатой областью для дальнейших исследований. Для получения определенной геометрии инструмент ЭЭОП направляется по желаемому пути очень близко к заготовке; в идеале он не должен касаться заготовки, хотя в реальности это может произойти из-за характеристик конкретной системы управления движением. Таким образом, происходит большое количество электрических разрядов (в разговорной речи также называемых искрами), каждый из которых способствует удалению материала как с инструмента, так и с заготовки, где образуются небольшие кратеры. Размер кратеров является функцией технологических параметров, установленных для конкретной задачи. Они могут иметь типичные размеры от наномасштаба (в операциях микро-ЭЭОП) до нескольких сотен микрометров в условиях черновой обработки. Наличие этих небольших кратеров на инструменте приводит к постепенной эрозии электрода. Эта эрозия электрода инструмента также называется износом. Необходимы стратегии для противодействия негативному влиянию износа на геометрию заготовки. Одна из возможностей – непрерывная замена электрода инструмента во время обработки. Это происходит, если в качестве электрода используется непрерывно заменяемая проволока. В этом случае соответствующий процесс ЭЭОП также называется проволочно-вырезной ЭЭОП. Электрод инструмента также может быть использован таким образом, что в процесс обработки вовлечена только небольшая его часть, и эта часть регулярно меняется. Это, например, происходит при использовании вращающегося диска в качестве электрода инструмента. Соответствующий процесс часто также называют электроэрозионным шлифованием. Еще одна стратегия заключается в использовании набора электродов разных размеров и форм во время одной и той же операции ЭЭОП. Это часто называют многоэлектродной стратегией и наиболее распространено, когда электрод инструмента в негативе воспроизводит желаемую форму и продвигается к заготовке в одном направлении, обычно в вертикальном направлении (т.е. по оси Z). Это напоминает погружение инструмента в диэлектрическую жидкость, в которой погружена заготовка, поэтому, неудивительно, что это часто называют ЭЭОП штампованием (также называемой традиционной ЭЭОП и ЭЭОП с проталкиванием). Соответствующие станки часто называют станками для штампования. Обычно электроды этого типа имеют довольно сложную форму. Если окончательная геометрия получена с помощью обычно простого по форме электрода, который перемещается в нескольких направлениях и, возможно, также подвергается вращениям, часто используется термин ЭЭОП фрезерование. В любом случае, степень износа строго зависит от технологических параметров, используемых в операции (например: полярность, максимальный ток, напряжение холостого хода). Например, в микро-ЭЭОП, также известной как μ-ЭЭОП, эти параметры обычно устанавливаются на значения, которые приводят к сильному износу. Поэтому износ является серьезной проблемой в этой области. Проблема износа графитовых электродов решается. В одном из подходов цифровой генератор, управляемый в миллисекундах, меняет полярность по мере протекания электроэрозии. Это создает эффект, аналогичный гальванопластике, который непрерывно осаждает эродированный графит обратно на электрод. В другом методе так называемая схема "Нулевой износ" уменьшает частоту начала и остановки разряда, поддерживая его включенным как можно дольше.
Проводный ЭДМ
В электроэрозионной обработке проволокой (WEDM), также известной как электроэрозионная резка проволокой и резка проволокой, тонкая металлическая проволока, как правило, из латуни, подается через заготовку, погруженную в ванну с диэлектрической жидкостью, обычно деионизированной водой. Электроэрозионная резка проволокой обычно используется для резки пластин толщиной до 300 мм и для изготовления пуансонов, инструментов и штампов из твердых металлов, которые сложно обрабатывать другими методами. Проволока, постоянно подаваемая с катушки, удерживается между верхним и нижним алмазными направляющими, центрированными в головке водяного сопла. Направляющие, как правило, с ЧПУ, перемещаются в плоскости x–y. На большинстве станков верхняя направляющая также может независимо перемещаться по осям z–u–v, что позволяет вырезать конические и переходные формы (например, круг внизу и квадрат наверху). Верхняя направляющая может управлять движениями осей в стандарте GCode, x–y–u–v–i–j–k–l–. Это позволяет программировать электроэрозионную резку проволокой для вырезания очень сложных и деликатных форм. Верхние и нижние алмазные направляющие обычно имеют точность до , и могут иметь ширину реза или керф до при использовании проволоки Ø , хотя средняя ширина реза, обеспечивающая оптимальное соотношение экономической эффективности и времени обработки, составляет при использовании латунной проволоки Ø . Причина, по которой ширина реза больше ширины проволоки, заключается в том, что происходит искрение от сторон проволоки к заготовке, вызывающее эрозию. Этот "перерез" необходим, и во многих приложениях он достаточно предсказуем, поэтому его можно компенсировать (например, в микро-ЭДМ это не всегда так). Катушки с проволокой имеют большую длину — 8 кг катушки проволоки диаметром 0,25 мм составляет чуть более 19 километров. Диаметр проволоки может быть настолько мал, что точность геометрии приближается к ± . В процессе резки проволокой используется вода в качестве диэлектрической жидкости, контролируя ее сопротивление и другие электрические свойства с помощью фильтров и PID-регуляторов деионизаторов. Вода удаляет обломки реза из зоны резания. Промывка является важным фактором, определяющим максимальную скорость подачи для заданной толщины материала. Наряду с более жесткими допусками, многоосевые станки для электроэрозионной резки проволокой оснащены дополнительными функциями, такими как многоголовочные для резки двух деталей одновременно, системы предотвращения обрыва проволоки, функции автоматического самонаведения в случае обрыва проволоки и программируемые стратегии обработки для оптимизации работы. Электроэрозионная резка проволокой обычно используется, когда требуются низкие остаточные напряжения, поскольку для удаления материала не требуется больших режущих усилий. Если энергия на импульс относительно низкая (как при чистовой обработке), ожидается незначительное изменение механических свойств материала из-за этих низких остаточных напряжений, хотя материал, который не подвергался снятию напряжений, может деформироваться в процессе обработки. Заготовка может подвергаться значительному тепловому циклу, интенсивность которого зависит от используемых технологических параметров. Такие тепловые циклы могут привести к образованию наплавленного слоя на детали и остаточным растягивающим напряжениям в заготовке. Если обработка происходит после термообработки, точность размеров не будет затронута искажениями, вызванными термообработкой.
The wire cut process uses water as its dielectric fluid, controlling its resistivity and other electrical properties with filters and PID controlled de ionizer units. The water flushes the cut debris away from the cutting zone. Flushing is an important factor in determining the maximum feed rate for a given material thickness. Along with tighter tolerances, multi axis EDM wire cutting machining centers have added features such as multi heads for cutting two parts at the same time, controls for preventing wire breakage, automatic self threading features in case of wire breakage, and programmable machining strategies to optimize the operation. Wire cutting EDM is commonly used when low residual stresses are desired, because it does not require high cutting forces for removal of material. If the energy per pulse is relatively low (as in finishing operations), little change in the mechanical properties of a material is expected due to these low residual stresses, although material that hasn't been stress relieved can distort in the machining process. The work piece may undergo a significant thermal cycle, its severity depending on the technological parameters used. Such thermal cycles may cause formation of a recast layer on the part and residual tensile stresses on the work piece. If machining takes place after heat treatment, dimensional accuracy will not be affected by heat treat distortion.
Быстрое бурение скважин для ЭДМ
Быстрое сверление отверстий EDM было разработано для быстрого и точного изготовления небольших, глубоких отверстий. По своей концепции оно близко к объемно-эрозионной обработке, но в качестве электрода используется вращающаяся трубка, подающая под давлением струю диэлектрической жидкости. Оно позволяет просверлить отверстие глубиной в дюйм примерно за минуту и является эффективным способом обработки отверстий в материалах, слишком твердых для сверления обычным сверлом. Этот тип EDM-сверления широко используется в аэрокосмической промышленности для изготовления охлаждающих отверстий в лопатках турбин и других компонентах. Также оно применяется для сверления отверстий в лопатках промышленных газовых турбин, пресс-формах и штампах, а также в подшипниках.
Производство прототипов
Процесс электроэрозионной обработки (ЭДМ) наиболее широко используется в производстве пресс-форм, инструментов и штампов, но все чаще применяется для изготовления прототипов и серийных деталей, особенно в аэрокосмической, автомобильной и электронной промышленности, где объемы производства относительно невелики. В процессе ЭДМ с погружением электрод из графита, медной вольфрамовой смеси или чистой меди обрабатывается до получения необходимой (отрицательной) формы и подается в заготовку на конце вертикального хода.
Изготовление монетных квадратов
Для изготовления штампов для производства ювелирных изделий и значков, или для выбивания и пробивания (с использованием плоского штампа) методом чеканки, позитивный мастер-модель может быть изготовлена из стерлингового серебра, поскольку (при соответствующих настройках оборудования) мастер-модель значительно изнашивается и используется только один раз. Полученный негативный штамп затем закаливается и используется в прессе-молоте для изготовления плоских заготовок из вырезанных листов бронзы, серебра или золотистого сплава низкой пробы. Для значков эти заготовки могут быть дополнительно сформированы в изогнутую поверхность другим штампом. Электроэрозионная обработка данного типа обычно выполняется в диэлектрической жидкости на масляной основе. Готовое изделие может быть дополнительно доработано твердой (стеклянной) или мягкой (краской) эмалью, либо гальваническим покрытием из чистого золота или никеля. Более мягкие материалы, такие как серебро, могут быть украшены ручной гравировкой.
Пробурание небольших отверстий
Электроэрозионное сверление малых отверстий применяется в различных областях. На про wire-cut EDM станках электроэрозионное сверление малых отверстий используется для создания сквозного отверстия в заготовке, через которое продевается проволока для wire-cut EDM обработки. На wire-cut станок монтируется отдельная электроэрозионная головка, специально предназначенная для сверления малых отверстий, что позволяет обрабатывать большие закаленные плиты, вырезая необходимые детали без предварительного сверления. Электроэрозионное сверление малых отверстий используется для сверления рядов отверстий в передних и задних кромках лопаток турбин, применяемых в авиационных двигателях. Прохождение газа через эти малые отверстия позволяет двигателям работать при более высоких температурах, чем это было бы возможно в противном случае. Высокотемпературные, очень твердые однокристаллические сплавы, используемые в этих лопатках, делают традиционную механическую обработку отверстий с высоким отношением сторон чрезвычайно сложной, если не невозможной. Электроэрозионное сверление малых отверстий также применяется для создания микроскопических отверстий для компонентов топливных систем, фильер для синтетических волокон, таких как вискоза, и других применений. Существуют также автономные электроэрозионные станки для сверления малых отверстий с осями X и Y, также известные как "супер-буры" или "hole poppers", которые могут обрабатывать глухие или сквозные отверстия. Электроэрозионные буры сверлят отверстия длинным латунным или медным трубчатым электродом, который вращается в патроне при постоянном потоке дистиллированной или деионизированной воды, проходящей через электрод в качестве промывочной жидкости и диэлектрика. Трубчатые электроды работают подобно проволоке в wire-cut EDM станках, имея искровой зазор и скорость износа. Некоторые электроэрозионные станки для сверления малых отверстий способны просверлить 100 мм мягкой или закаленной стали менее чем за 10 секунд, при средней скорости износа от 50% до 80%. В процессе сверления можно получать отверстия диаметром от 0,3 до 6,1 мм. Латунные электроды легче обрабатывать, но не рекомендуются для wire-cut операций из-за эрозии частиц латуни, вызывающей обрыв проволоки из-за контакта "латунь о латунь", поэтому предпочтительнее использовать медь.
Металлодезинтеграционная обработка
Несколько производителей выпускают электроэрозионные станки, специально предназначенные для извлечения сломанных режущих инструментов и крепежных элементов из заготовок. В этом применении процесс называется "металлической дезинтеграцией" или MDM. Процесс металлической дезинтеграции удаляет только центральную часть сломанного инструмента или крепежа, сохраняя отверстие неповрежденным и позволяя восстановить испорченную деталь.