ОСОБЕННОСТИ ПРОЦЕССА ЭЛЕКТРОЭРОЗИОННОГО ПРОШИВАНИЯ МАЛЫХ ОТВЕРСТИЙ

В конструкции деталей, применяемых в изделиях машиностроения, приборостроения, авиастроения и других отраслей, часто предусматриваются отверстия малого диаметра (3 – 0,1 мм и менее) с большой глубиной отверстия, а так же высокими требованиями к шероховатости и точности обработки. Такие отверстия могут быть получены в различных металлах и сплавах с помощью электроэрозионной обработки (ЭЭО). Изучение процесса электроэрозионного прошивания малых отверстий представляет большой научный интерес, и этому вопросу посвящено значительное количество работ ряда исследователей.

Особое внимание заслуживает необходимость повышения точности ЭЭО, увеличения производительности и поиска способов уменьшения износа электрода-инструмента (ЭИ).

Износ электродов зависит от перечня факторов, основными из которых являются форма и энергия импульсов. Следует отметить, что для разных материалов форма импульсов, обеспечивающих наименьший износ ЭИ, будет различна.

На рисунке 1 показана схема прошивания глухого отверстия. Электрод- инструмент 1 подается на заготовку 3 через кондукторную втулку 2. Наличие кондукторной втулки является целесообразным в связи с необходимостью снижения поперечных вибраций, а так же повышением устойчивости процесса. Также для стабильности процесса прошивания отверстий, проволочному инструменту придают вибрацию вдоль оси. На рисунке подача обозначена как F_п. Зазор между ЭИ и стенкой отверстия в заготовке – s. Допуск на размер инструмента должен быть на 1..2 квалитета точнее, чем для обрабатываемой поверхности.

Рисунок 1. Схема прошивания глухого отверстия ЭИ

Одним из способов улучшения процесса является применение новых принципиальных схем генераторов импульсов, позволяющих получить оптимальную форму и длительность разряда искрового импульса. Так в работе [3] для прошивания микроотверстий в твердых сплавах предложен транзисторный генератор, формирующий биполярные импульсы наносекундного диапазона длительностью 0,05–0,5 мкс с высокой крутизной фронта (до 100 А/мкс), что позволяет снизить износ при размерном съеме материала.

Отверстия с диаметром  мм прошивают ЭИ, выполненным из вольфрамовой проволоки, которая покрывается слоем меди. Слой меди на заходной части ЭИ стравливают на конус методами химической обработки. Такое покрытие защищает электрод от эрозии, а форма обеспечивает наилучший подвод тока, а так же частично устраняет погрешности формы на входной части детали.

Основным источником разрушения ЭИ является действие плоского кратковременного источника тепла, вызванного прохождением тока между электродами, который действует в тонких поверхностных слоях электрода. Поэтому условием сокращения износа является применение защитных пленок  [5].

Одним из главных факторов, влияющих на износ, является материал инструмента, который должен иметь высокую эрозионную стойкость. Таким материалом может служить медь, вольфрам и его сплавы с медью или серебром.  Электроды небольшого диаметра из вольфрама имеют высокую жесткость и более эффективны при обработке малых отверстий. Для обработки титановых сплавов электроды из латуни ЛС-59, ЛС-62, обеспечивают большую стабильность обработки относительно ЭИ из меди и вольфрама.

В работе [2] предлагается придавать материалу инструмента одновременно достаточно высокую прочность и пластичность, что способствует снижению хрупкого разрушения металла, возникающего из-за энергетических, тепловых, гидродинамических и термомеханических процессов.

В патенте [9] предложено использовать медный электрод, поверхность которого покрывается жаропрочным материалом для образования пористой тугоплавкой структуры. Затем, эта пористая структура снова пропитывается в материале, имеющим более низкую температуру плавления, чем жаростойкий композит. Такой ЭИ значительно дешевле медно-вольфрамовых аналогов.

В работах [2, 3] автор также предлагает применение жаростойких материалов для ЭИ, опираясь на теорию струйного газогидродинамического механизма разрушения лунки. Под действием искровых разрядов большой удельной мощности часть металла переходит в жидкую фазу и выбрасывается в межэлектродный зазор, другая часть испаряется со сверхзвуковой скоростью  при температуре порядка 3000 – 5000 . Выделяемой энергии достаточно для дополнительного расплавления поверхности лунки.

В монографии [8] автор доказывает необходимость применения наноструктурного ЭИ. Одним из основных параметров, для увеличения точности обрабатываемой поверхности является величина межэлектродного промежутка (МЭП). Так как с уменьшением МЭП происходит уменьшение сопротивления между электродами, требуется меньшая энергия пробоя. Поэтому при прохождении тока меньшей энергии износ уменьшается. Автор предлагает использовать для изготовления ЭИ наноструктурный материал, применение которого при износе ЭИ позволяет уменьшить шероховатость.

Для поддержания эффективности процесса ЭЭО необходимо прокачка рабочей жидкости. В условиях прошивания микроотверстий прокачка рабочей жидкости невозможна, поэтому играет важную роль применение естественной эвакуации продуктов обработки, которая осуществляется через электрический заряд. После каждого разряда в месте пробоя межэлектродного промежутка (МЭП), возникает парогазовый пузырь, расширяющийся в сторону вертикального зазора. Попадая в зазор, парогазовые пузыри устремляются вверх под действием архимедовой силы, при этом увлекая за собой микрочастицы продуктов эрозии флотационным способом. Благодаря эффекту эжекции, создается встречно-параллельный поток обновления, который является следствием эвакуационного потока. По причине неразрывности этих двух потоков, а так же различной их плотности (эвакуирующий поток насыщен парогазовыми пузырями), создается разность давлений. И тем самым появляются поперечные кольцевые потоки.

Эффект эжекции тем сильнее, чем выше отношение плотностей потока эвакуирующего и потока обновления, т.е. чем больше насыщенность эвакуирующего потока. А это зависит от свойств рабочей жидкости, а также параметров импульса тока [2].

Для исследования зависимостей основных параметров, характеризующих процесс ЭЭО, применяют метод многофакторного эксперимента. Он заключается в определении эмпирических зависимостей величины износа ЭИ и производительности  от следующих параметров (факторов) процесса: диаметра ЭИ ; глубины прошивания отверстия ; энергии импульсов ; частоты следования импульсов . Полученные зависимости  и  используется для оптимизации процесса с целью получения наибольшей возможной производительности при наименьшем износе.

В работе [6] получена математическая модель зависимости . Метод оптимизации режимов состоит в замене фактора  на фактор  – индуктивности в разрядной цепи генератора импульсов. В модели фактор , несущественно влияющий на эффективность процесса, исключен. Благодаря дополнительной индуктивности, включенной в разрядную цепь генератора импульсов, удалось снизить линейный износ инструмента примерно в 3 раза [2, с. 115].

В монографии [8] методика исследования износа электродов при формировании единичных лунок заключается в определении энергии единичного разряда в цепи из параллельно соединенных конденсаторов и выявлении зависимостей износа ЭИ от силы тока. В результате исследования получены следующие основные выводы: 1) износ ЭИ зависит в основном от энергии импульса, в частности от силы тока; 2) полученные зависимости износа ЭИ от силы тока показывают, что физические процессы, происходящие на ЭИ, не зависят от рабочей среды.

Возможно также исследование процесса ЭЭО методами нелинейной динамики или акустической эмиссии.

Необходимым этапом совершенствования процесса является разработка регулятора подачи, обеспечивающего достижение высокой стабильности, малую инерцию подачи и поддержание минимального рабочего зазора [7].

Таким образом, можно выделить следующие способы увеличения производительности при электроэрозионном прошивании малых отверстий:

1) Создание принципиально новых схем генератора импульсов, позволяющих получать необходимую форму и длительность импульсов;

2) Применение наноструктурных жаростойких материалов с использованием защитных пленок;

3) Использование различных сред, повышающих скорость эвакуации продуктов эрозии, а также подбор параметров импульсов тока;

4) Поиск оптимальных соотношений основных параметров процесса ЭЭО;

5) Использование устройства подачи ЭИ, поддерживающего минимальный зазор и размерной съем материала заготовки в следящем режиме.

Список литературы:

1. Артамонов Б. А., Волков Ю. С., Дрожалова В. И. и др. Электрофизические и электрохимические методы обработки материалов: учеб. пособие (в 2-х томах), т.1. – М.: Высшая школа, 1983. – С. 4–95.
2. Бойко А. Ф. Исследование механизма естественной эвакуации продуктов обработки при электроэрозионной прошивке микроотверстий // Ремонт, восстановление, модернизация. – 2011. – №4. – С. 49–51.
3. Бойко А. Ф. Создание эффективной технологии и оборудования для электроэрозионной прошивки прецизионных микроотверстий: Автореф. дис. докт. техн. наук. – Белгород, 2001. – 36 с.
4. Бойко А.Ф. Сравнительный анализ роста производительности процесса при высокочастотной электроэрозионной прошивке отверстий малого диаметра // Электронная обработка материалов. – 1989. – №1. – С. 77–81.
5. Золотых Б.Н., Мельдер Р.Р. Физические основы электроэрозионной обработки: уч. пособие. – М.: Машиностроение, 1977. –44 с.
6. Пузачева Е. И. Совершенствование технологии малоизносной электроэро-зионной обработки высокоточных малых отверстий: дис. канд. техн. наук. – Белгород, 2015. 151 с.
7. Погонин А.А., БойкоА. Ф., Домашенко Б. В., Адаптивный электромеханический регулятор подачи электрода-инструмента электроэрозионного станка // Патент РФ №63274. 2006. [Электронный ресурс] – Режим доступа. – URL: http://www.freepm.ru/Models/63274 (дата обращения 14.12.2016).
8. Сарилов М. Ю. Повышение эффективности электроэрозионной обработки и качества обработанных поверхностей: моногр. – Комсомольск-на-Амуре: ФГБОУ ВО «КнАГТУ», 2016. – 236 с.
9. Peterson J. D., Herterick G. M. Process for making electric discharge machining electrode // Patent US №3244852A, 05.04.1966. [Electronic resource] – Available at – URL: https://www.google.com/patents/US3244852 (accessed 14.12.2016).