Принцип работы эрозионного станка

Электроэрозионный станок — принцип работы, устройство и назначение

Обработка материалов с плотной структурой ручным способом малоэффективна, так как требует больших трудозатрат и не обеспечивает высокой точности. Среди установок, которые позволяют в какой-то степени или полностью (зависит от вида и модели) автоматизировать процесс, электроэрозионные станки менее известны, хотя они и отличаются уникальными возможностями, что выгодно выделяет их среди большинства «собратьев» по станочному парку.

Об особенностях, принципе работы и специфики применения электроэрозионных станков и будет рассказано в предлагаемом читателю материале.

Общая информация

Независимо от модели, электроэрозионные станки имеют ограничение по обработке деталей. Они могут использоваться для выполнения различных операций лишь в том случае, если образец изготовлен из материалов категории «токопроводящие» (металлы, сплавы).
Существует несколько методик электроэрозионного воздействия на изделие, отличающихся как способом подачи электрических разрядов, так и параметрами импульсов. В соответствие с этим, все подобные станки позволяют изготавливать детали по-разному, в зависимости от ожидаемого результата.
Несомненный плюс электроэрозионных установок – возможность ведения обработки образца одновременно по разным направлениям.

Что может получиться в результате, показано на схемах (наиболее распространенные варианты использования электроэрозионных станков).

Способы обработки заготовок

эл/импульсный;
эл/искровой;
анодно-механический;
эл/контактный.

Виды технологических операций

Упрочнение структуры.
Шлифовка.
Маркирование.
Вырезание.
Доводка.
«Прошивка».
Отрезка.
Объемное копирование.
Обработка:

электроэрозионно-абразивная;
анодно-механическая;
электрохимическая;
комбинированная.

Возможности электроэрозионного оборудования

Спектр использования электроэрозионных станков действительно огромен. Из основных технологических операций можно выделить:

получение отверстий (глухих проемов, углублений) самой сложной конфигурации, при необходимости, с резьбой;
выборка материала на любую глубину с внутренних поверхностей образцов;
выполнение операций, которые невозможно или экономически нецелесообразно проводить на других типах станков (фрезерных, токарных);
изготовление деталей из материалов, трудно поддающихся обработке традиционными инструментами (например, титан и сплавы на его основе).

Принцип работы станков электроэрозионного типа

Несмотря на разницу в конструктивном исполнении оборудования и реализуемых способах электроэрозионной обработки, принцип функционирования остается одинаковым.

Условно процесс можно разделить на два технологических этапа.

Первый. Под воздействием импульсных разрядов, поступающих «по плазменному каналу» (10), разрушается структура образца (2) на данном участке. Они появляются в определенный момент при сближении электрода (4), являющимся рабочим инструментом станка, с деталью. Электрическая энергия преобразуется в тепловую, и как результат – расплавление металла (сплава) на требуемом по ТУ участке.

Второй. Так как и деталь, и электрод погружены в емкость со спец/составом (чаще всего это масло), металл частично испаряется от высокой температуры, а остатки расплава удаляются из рабочей зоны.

В зависимости от реализуемого способа обработки и инженерного решения в конструкции станка, параметры импульсов, технология их генерирования и ряд других факторов в различных моделях электроэрозионных установок могут отличаться. Но принцип работы оборудования остается прежним.

В принципе, такую «чудо-машину», как электроэрозионный станок, можно изготовить самостоятельно. Но кажущаяся простота сборки обманчива. Прежде чем приниматься за работу, следует оценить свои силы. Главная сложность, с которой столкнется «домашний умелец» – монтаж (а перед этим точный расчет параметров) искрового генератора. Кроме того, эксплуатация данного станка требует особой осторожности, так как емкость с маслом в любой момент может воспламениться. Автор не ставит целью отговорить читателя от самостоятельного изготовления бытового электроэрозионного станка, но обратить внимание на ряд моментов просто обязан.

Станок для электроэрозионной обработки металлов своими руками

Электроэрозионный станок предназначен для вырезания металлических деталей сложной формы. Современное прошивное оборудование позволяет обрабатывать токопроводящий материал сразу по четырем осям, производить изделия любых форм даже из твердых сплавов, трудно поддающихся механической обработке.

Возможности электроэрозионных станков

Электроэрозионный станок справляется с выполнением сложных технологических задач:

выполнение углублений и отверстий сложной конфигурации, в том числе глухих проемов;
обработка титана, инструментальных и легированных сталей, твердых сплавов и закаленной стали высочайшей твердости;
выполнение выемок различной конфигурации на внутренних поверхностях детали;
отверстия с резьбой в заготовках из твердых металлов;
изготовление деталей, которое невозможно или сложно на токарных и фрезерных станках с программным управлением.

Виды обработки

Существует несколько разновидностей электроэрозионной обработки:

комбинированная — производится одновременно с иными типами обработки;
электроэрозионно-абразивная — материал разрушается с помощью электричества и шлифуется абразивными частицами;
электрохимическая — металл растворяется в электролите под воздействием тока;
анодно-механическая — металл растворяется с появлением пленки окисей, сочетается с электроэрозионным методом;
упрочнение;

Принцип работы станка

Первичная обработка болванки и снятие основных объемов материала происходит на токарном или фрезерном станке с ЧПУ. Принцип работы электроэрозионного оборудования в том, что металл обрабатывается разрядами тока, появляющимися между заготовкой и инструментом. В качестве резца используется натянутая проволока.

Генератор выпускает ток импульсами, не изменяя свойства рабочей среды. Когда между электродами появляется напряженность выше критической, формируется плазменный канал, разрушающий поверхность заготовки. Появляется маленькая выемка. Полярность тока подбирается таким образом, чтобы деталь разрушалась сильнее.

С целью снижения износа резца создаются униполярные электроимпульсы. В зависимости от длины импульса выбирается полярность, так как при небольшой продолжительности быстрее изнашивается отрицательный электрод, при повышенной — изнашивается катод. Фактически при обработке применяются оба принципа создания униполярных электроимпульсов: на болванку подают переменно положительный заряд и отрицательный. Вода уменьшает температуру инструмента (проволоки) и уносит продукты разрушения.

Под воздействием высокочастотных импульсов эрозия проходит равномерно по длине зазора, постепенно расширяя самое узкое место. Постепенно инструмент (проволоку) или деталь продвигают в необходимом направлении, увеличивая площадь воздействия. Обработать по этому принципу можно деталь из любого материала, пропускающего электричество.

Время обработки зависит от физических свойств материала (электропроводности, теплопроводности, температуры плавления). Чем быстрее выполняется работа, тем больше шероховатостей остается на поверхности. Наилучший эффект достигается путем многопроходной обработки с понижающейся мощностью импульсов.

Конструкция станка

Основные элементы электроэрозионного станка:

станина — выполняется из специального особо прочного чугуна, придающего крепость и устойчивость конструкции.
рабочий стол — прямоугольной формы из нержавеющей стали;
рабочая ванна из нержавейки;
устройство подачи проволоки состоит из приводных катушек (керамика), направляющих для проволоки и системы привода;
устройство автоматической установки проволоки (устанавливается по желанию заказчика);
блок диэлектрика состоит из картонных или бумажных фильтров, емкости диэлектрика и емкости для ионообменной массы, насоса для прогонки воды;
генератор используется антиэлектролизный, который предупреждает разрушение заготовки;
система числового программного управления с дисплеем.

Делаем станок своими руками

Основная сложность в изготовлении станка своими руками — это сборка искрового генератора. За некоторое время он должен скопить достаточное количество электроэнергии и залпом ее выбросить. Необходимо добиться наикратчайшего промежутка выброса тока, чтобы плотность его была как можно выше. Комплектующие для него можно своими руками вытащить из старого телевизора или купить.

Конденсатор должен выдерживать от 320 В, с суммарной емкостью от 1 тыс. мкФ. Все детали собираются в заизолированном коробе из фторопласта. Из штыря заземления евророзетки можно сделать направляющую втулку для электрода. Его продвигают вперед по мере испарения, для чего расслабляется винт зажима. Штатив для установки всего устройства должен быть с регулируемой высотой. В отверстие для притока масла вставляется трубочка, а втулка направления прокапывает маслом по продольной линии электрода.

К электроду подключается привод (пускатель с катушкой 230В). Ход штока фиксирует глубину отверстия. Во время зарядки конденсаторов включается лампа, а шток пускателя удерживается внутри. Как только конденсаторы достаточно зарядились, лампа тухнет, шток продвигается вниз. Он прикасается к заготовке и происходит разряд в виде искры, цикл повторяется. Частота повторений зависит от мощности лампы.

При работе масло может воспламениться. Важно соблюдать меры безопасности! После всеъ этих действий, мы получим эрозионный станок, сделанный своими руками.

Видео демонстрирует возможности электроэрозионного станка:

Электроэрозионный станок: область применения и принцип работы

Если раньше электроэрозионный станок был редкостью, то сегодня таким оборудованием уже никого не удивить. Под электроэрозией понимают разрушение межатомных сил взаимодействия в металлах под воздействием электрического заряда. Своим появлением электроэрозионный станок обязан разработкам советских ученых Б. Р. Лазаренко и Н. И. Лазаренко. Такое оборудование является универсальным. Оно позволяет обрабатывать и придавать форму любым маркам металлов и сплавов. Причем твердость обрабатываемого материала не имеет никакого значения. Возможность обрабатывать любые материалы является одним из основных преимуществ электроэрозионной обработки перед традиционной обработкой резанием.

Принцип работы электроэрозионного станка

При ознакомлении с принципом работы подобного оборудования у многих возникает ассоциация с электродуговой сваркой. И это вполне логично. Ведь для протекания эрозионных процессов необходимо получить электрический разряд. С этой целью между электродами создается разница потенциалов. Одним из электродов при этом служит обрабатываемое изделие, а вторым – электрод станка.

Когда электрод приближается к заготовке на критическое расстояние, то происходит так называемый пробой. Иными словами, электроны совершают работу выхода и устремляются по воздуху к катоду (обрабатываемой заготовке).

Электроны, соударяясь с поверхностью обрабатываемого изделия, в считаные доли секунды разогревают его до невероятно больших температур (10 000 и более градусов по Цельсию). Температура плавления даже самых тугоплавких материалов в разы меньше. Таким образом, слой металла моментально испаряется, образуются углубления по форме рабочего инструмента электроэрозионного станка.

Зачем нужен электролит?

Для усиления эффекта анод и катод помещаются в диэлектрический раствор. В качестве такового может быть использован керосин. Однако он может в любой момент воспламениться. Поэтому предпочтение следует отдавать специальным минеральным маслам. Масло тоже может гореть, однако температуры вспышки значительно выше, чем у керосина. Кроме того, керосин источает вредные для производственного персонала пары.

Диэлектрическая жидкость сильно нагревается и образует так называемую паровую рубашку (мелкие воздушные пузырьки). Именно по воздуху, заключенному в диэлектрическую жидкость, и протекает ток (направленное движение электронов). Это позволяет концентрировать поток электронов и усиливать полезный эффект.

Влияние обработки на прочностные характеристики обработанной поверхности

После обработки химический состав и концентрация различных элементов в приповерхностном слое заготовки несколько изменяются. Например, может повыситься концентрация углерода. Кроме того, поверхностный слой может легироваться элементами, которые содержались в расплавленном электроде. Подбором электродов можно осуществлять легирование поверхности такими элементами, как алюминий, цинк, хром, никель, вольфрам и другие. В зависимости от условий последующей эксплуатации детали, это может играть как положительную, так и отрицательную роль.

Достоинства электроэрозионной технологии и оборудования

Одним из основных достоинств данной технологии является очень высокая точность обработки изделий. Это обусловило широкое применение электроэрозионной технологии в таких отраслях, как военная промышленность, точное машиностроение, а также в производстве медицинских изделий ответственного назначения.

Дефицит производственных площадей – одна из главных проблем современных машиностроительных компаний. Электроэрозионные станки, как правило, довольно компактны и позволяют частично разрешить эту проблему. Таким образом, компактность оборудования также является неоспоримым преимуществом станков данного типа.

Устройство электроэрозионного станка

Существует множество типов станков. Однако вышеописанные принципы работы справедливы абсолютно для каждого из них, будь то электроэрозионный прошивной станок или станок для электроискровой обработки.

Может показаться, что данное технологическое оборудование является невероятно сложным и дорогостоящим. Дорогостоящим, возможно. Особенно если станок произведет именитым брендом. Однако сам принцип работы оборудования довольно прост. В Сети появилось множество видеороликов, в которых умельцы воспроизводят эти процессы. Причем они собирают электроэрозионные станки своими руками в условиях домашних любительских мастерских.

Сам станок, как и любой другой станок для обработки металлов и других материалов, включает станину (основание), ванну для электролита, шпиндельную головку, пульт управления для оператора (это может быть и полноценная система числового программного управления), различную автоматику. Это основные компоненты. Отдельные станки могут дополнительно оснащаться системой фильтрации электролита и другими устройствами.

Электроэрозионная резка

Электроэрозионная обработка металлов и других токопроводящих материалов (ЭЭО) – самостоятельный вид металлообработки, который используется для получения отверстий и полостей сложной формы. ЭЭО эффективна при размерном формообразовании труднообрабатываемых материалов, применяется для целей поверхностного упрочнения инструмента, а также в ремонтном производстве, для извлечения из стальных изделий сломанных свёрл, метчиков и т.п. По вышеперечисленным направлениям выпускается и соответствующее оборудование.

Принцип работы станков электроэрозионной обработки

Независимо от технологического назначения, в ЭЭО-станках используется явление размерного плавления металла или сплава в результате термического воздействия электрического разряда весьма большой мощности. Им может быть электрическая искра или электрическая дуга. С этой целью обрабатываемую заготовку включают в электрическую цепь станка. В результате последовательно реализуются следующие переходы:

Заготовка и инструмент устанавливаются на станке, присоединяются к источнику рабочего тока, и помещаются в ёмкость с диэлектрической рабочей жидкостью.
При включении энергетической части привода станка происходит накапливание электрического потенциала на границах смежных электродов заготовки и инструмента. Его конфигурация должна соответствовать размерам полости или контура на будущем изделии.
По достижении требуемой разности потенциалов происходит бой межэлектродного промежутка с созданием направленного разряда, вызывающего электрическую эрозию материала. Если преимущественному разрушению подвергается катод, то говорят об ЭЭО на прямой полярности электрического тока, а если анод – то об обратной полярности.
Продукты эрозии либо принудительно удаляются из зоны обработки специальной насосной установкой, либо скапливаются на дне емкости, и извлекаются оттуда после окончания цикла ЭЭО.
После отключения напряжения ионизированные высоковольтным разрядом частицы в рабочей жидкости исчезают, и её диэлектрическая прочность восстанавливается.

Разница между ними заключается в следующем. Электроимпульсные станки, в отличие от электроискровых, имеют в своём составе специальный узел – шаговый генератор импульсов – который обеспечивает периодическое формирование высоковольтного разряда. Его параметры должны быть достаточными для размерного плавления и испарения обрабатываемого материала. В результате возрастает мощность и производительность ЭЭО.

Кроме того, управляя параметрами импульса – его продолжительностью, интенсивностью и скважностью (соотношением времени действия импульса ко времени его накопления) – можно изменять полярность ЭЭО. Например, при малых по времени импульсах будет преобладать электрическая эрозия анода, а при увеличенных – катода. Это важно для правильного применения ЭЭО-станков для обработки разных по своему составу и структуре материалов.

При электродуговой обработке источником тепла, производящего разрушение металла заготовки, является стационарный разряд. Дуга горит непрерывно, поэтому станки такого типа отличаются повышенной производительностью, но меньшей точностью обработки. При дуговой обработке главным параметром считается сила тока, а не напряжение на электродах. Поэтому для привода таких станков применяются сварочные генераторы или преобразователи – оборудование, гораздо более дешёвое и простое в управлении, чем генераторы импульсов. Область рационального использования электродугового оборудования – получение отверстий и полостей значительных размеров при повышенных требованиях к производительности обработки.

Классификация ЭЭО-станков

Электроэрозионные станки различают в зависимости от их технологического назначения. Выпускаются как универсальное, так и специализированное оборудование, которое может оснащаться ЧПУ, либо действовать в ручном режиме.

Основными операциями, на которых целесообразно использовать ЭЭО-станки, являются:

Вырезка по сложному контуру. Она может выполняться профилированным электродом-инструментом, либо проволочкой из токопроводящего материала.
Прошивка-копирование, при которой форма электрода-инструмента должна соответствовать размерам и конфигурации полости или сквозного отверстия. При извлечении сломанных инструментов используется обычная прошивка сплошным или трубчатым электродом.
Электроэрозионное шлифование, при котором выполняется доводка полученной заготовки по параметрам точности и шероховатости поверхности. Электродуговые станки могут выполнять как грубую так и точную ЭЭО: для этого им достаточно только скорректировать некоторые технические характеристики процесса.
Поверхностное электроупрочнение, при котором съёма металла практически не происходит, а обрабатываемая поверхность заготовки насыщается атомами химических элементов, содержащихся в электроде-инструменте. Направленный перенос возможен не только из электрода, но и из состава рабочей жидкости, которая пиролизуется под действием высокотемпературного разряда.
Электроэрозионная маркировка, в результате которой на поверхности могут наноситься клейма или иные условные обозначения.
Электроэрозионная приработка сопрягаемых деталей (шестерён, пуансонов, матриц). Она ведётся при малых значениях тока и напряжения.

Классификация станков для ЭЭО может быть выполнена и по их компоновке. В основном такое оборудование – вертикального исполнения, однако для электродуговой обработки длинномерных заготовок, например, твердосплавных валков прокатных станов, изготавливаются и станки горизонтального типа.

Из основных конструктивных различий ЭЭО-станков необходимо отметить исполнение и размеры стола (координатный или обычный), а также ванны с рабочей жидкостью, которая может быть съёмной или перемещающейся вверх-вниз.

Отечественные ЭЭО-станки выпускаются в соответствии с требованиями ГОСТ 15894. Из зарубежного аналогичного оборудования наилучшим качеством отличаются станки швейцарской фирмы Agie, японской торговой марки Mitsubishi и итальянской компании Сarbomatic.

Основные узлы ЭЭО-станков и их действие

Копировально-прошивочный станок

Типовой копировально-прошивочный станок вертикальной компоновки, снабжённый электрогидравлической системой привода рабочих органов, состоит из следующих узлов:

Г-образной станины, регулируемой по высоте.
Рабочей головки, в которой смонтирован узел электрода-инструмента.
Привода двухкоординатного перемещения рабочей головки (на некоторых типоразмерах станков имеется ещё и орбитальная головка, благодаря которой электрод-инструмент может вращаться).
Рабочего стола, на котором закрепляется обрабатываемая заготовка.
Ванна с рабочей жидкостью, которая снабжена винтовой передачей для своего подъёма-опускания.
Электродвигателей: главного привода, привода рабочей ёмкости и орбитальной головки.
Системы управления.

В самостоятельном корпусе размещается шаговый генератор импульсов, который включается в общую электрическую схему станка. Эти устройства должны отвечать следующим требованиям:

Отличаться возможно более высоким КПД;
Стабилизировать во времени все параметры электрического разряда;
Иметь возможность максимального регулирования рабочей частоты импульса;
Обеспечивать такие параметры электрического разряда, при которых износ электрода-инструмента, производительность процесса и качество обработки заготовки будут оптимальными.

Отечественные генераторы импульсов системы ШГИ оснащаются встроенными регуляторами подачи электрода-инструмента и блоками предотвращения короткого замыкания.

Узлы подачи рабочей головки в станках, использующих для ЭЭО нестационарный электрический разряд, могут быть трёх основных типов – соленоидного, электромеханического и электрогидравлического. Первый применяется в установках малой мощности, второй – преимущественно для агрегатов, производящих электроискровое разрезание. Наиболее универсальным считается электрогидравлический привод. Его недостатки – несколько меньшая производительность на вспомогательных переходах и необходимость в дополнительных площадях под гидравлические компоненты, ответственные для очистки и перекачки рабочей среды.

Электродуговые станки

Электродуговые станки состоят из:

Станины рамного типа.
Рабочей головки с электродом-инструментом и контрольно-следящей системой его перемещения во время ЭЭО.
Насосной станции для прокачки рабочей жидкости под повышенным давлением (это необходимо для повышения качества ЭЭО стационарным дуговым разрядом).
Герметизирующей камеры, внутрь которой устанавливается заготовка.
Рабочего стола.
Источника питания постоянного тока.

Рабочий цикл такого оборудования включает в себя установку на стол заготовки, подлежащей ЭЭО, последующего размещения герметизирующей камеры, подвода инструментальной головки с электродом-инструментом и включения насосного привода подачи рабочей среды. После этого включается источник питания, возбуждается дуговой разряд и производится обработка. Подача электрода-инструмента выполняется автоматически. По достижении требуемого значения напряжения на дуге происходит пробой межэлектродного промежутка, и возникающий столб дуги, сжатый потоком рабочей среды производит размерное формообразование. Продукты эрозии удаляются насосной установкой через рабочие отверстия в электроде-инструменте.

Читать еще: Расчет сечения сварочного кабеля