Лекция  № 2-3

Электроэрозионная обработка металлов и сплавов.

Точность, качество и производительность.

Область применения методов ЭЭО.

Электроэрозионная обработка

 

      С физической точки зрения процесс  обработки заключается в непрерывном производстве и удалении с зоны обработки частиц металла и других частиц продуктов эрозии. Обоим процессам соответствуют различные физические явления:

1. Электрическая эрозия в импульсном разряде, которая имеет две стороны:
• электрическую (связана с возбуждением в жидкой диэлектрической среде разряда);
• тепловую (обусловлена воздействием разряда на поверхность заготовки,  преобразование энергии  разряда в тепло, которое приводит к элементарному съему металла с поверхности);
2. Возбуждение в жидкой диэлектрической среде ударных акустических волн, которое имеет тоже две стороны:
• электрическую, связанную с возникновением высокотемпературного канала разряда и выделение им энергии;
• гидродинамическую, которая обусловливает закономерности распространения волн в объеме зазора между инструментом и заготовкой, при этом происходит самоочищение.

      Процессу  электрической эрозии свойственны 4 основных вида процессов, которые  протекают во времени и пространстве:

1. Электрические процессы;
2. Тепловые процессы;
3. Газо-гидродинамические процессы;
4. Термо-механические процессы

 

Электрические процессы при электроэрозионной  обработке 

      Электрические процессы в эрозионном промежутке, развиваясь во времени и пространстве, проходят следующие стадии:

• подготовка и образование канала сквозной проводимости между электродами (канал проводимости – это сравнительно узкая цилиндрическая область, заполненная нагретым веществом – плазмой, содержащей ионы и электроны).

 напряженность электрического  поля, где  - зазор.

      Диэлектрическая жидкость в малом температурном промежутке может проводить ток.

Это первая стадия имеет две фазы:

      I фаза – фаза пробоя (10^-8 - 10^-7 с)

      II фаза – фаза неустойчивого искрового разряда (10^-4с)

• стадия дугового разряда большой мощности, которая приводит к эффективному съему с поверхности материала.

      Вторая  стадия характеризуется большими плотностями  тока до сотен тысяч А/см²  (100 000 А/см²), при которой в канале разряда t = 10 000^оС и более.

Компоненты  энергии

 

      Процесс выделения энергии на электродах выделяется  элементарными процессами  в канале разряда и на поверхности электродов.  Основной  источник энергии – движущаяся частица двух  типов, с одной стороны – движение заряженных частиц, с другой – тепловых частиц.

      В соответствии с этими двумя видами движения передача энергии электродам осуществляется за счет следующих компонентов:

      а) бомбардировка заряженными частицами      ;

      б) термическая газокинетическая бомбардировка ;

      в) компонента энергии от торможения факельных паров ;

      г) тепловое излучение ;

      д) объемная компонента, связаная с выделением Джоулева тепла.

                  где (3-10)10^-2 Дж. , (1-3)10^-2 Дж. 

      На  основании экспериментов и расчетов установлено соотношение между  компонентами энергии. Основная доля энергии  электродов передается в результате ударов заряженных частиц, при этом, в зоне, ограниченной пределами канала разряда. Источник тепла  принято считать точечным.

Тепловые  процессы  в эрозионном промежутке

 

      Определив механизм распределения энергии  в межэлектродном промежутке и характер источников тепла, возникающих на поверхности  электродов, можно приступить к изучению процессов к массопереноса и теплообмена в зоне переноса.

      Теплообмен  может быть в общем виде определен  из решения следующего уравнения:

      

      При изучении процесса распространения  тепла в поверхностных слоях  электродов рассматривают две сравнительно простые задачи:

      1-я  задача: задача о температурном  поле плоского или сосредоточенного  точечного источника тепла;

      2-я  задача: о движении границы фазовых  превращений в течении действия  импульса тока. 

      Для решения тепловой задачи начальные и граничные условия вводятся, исходя из следующих соображений:

1. Размеры лунки, в подавляющем большинстве случаев, на один-два порядка меньше размеров заготовки, т.е. имеют дело с полуограченным твердым телом, принимая источник тепла ассиметричным.
2. В условиях электроэрозионной обработки длительность процесса нагрева  определяется длительностью импульса тока (от 10^-4 до 10^-6с), при этом температура может достигать 4000-6000 градусов на поверхности.

 

      Учитывая, что теплопроводность металла на несколько порядков выше теплопроводности жидкости и газа, можно считать, что основная доля энергии (тепловой) будет распределяться внутри твердого тела.

      Решение уравнений о распределении тепла  и движении фазовой границы может  быть приближенным и точным.

      В случае приближенного решения физико-механические характеристики для различных фаз удаляемого металла принимают постоянными, т.е. усредненными.

      Связь величины эрозии с  энергией и длительностью  импульса

 

      Для упрощения решения этой задачи принимаются  следующие допущения:

1. Учитывая, что радиус лунки значительно больше высоты лунки (r_л >> h_л), при изучении движения границы плавления металла пренебрегают радиальным рассеиванием тепла и решают плоскую одномерную задачу.
2. Теплофизические постоянные металлов в твердых, жидких и газообразных фазах зависят от температуры, причем наибольшее их отличие наблюдается при переходе фаз. Принято усреднять эти значения для каждой из фаз.
3. Скоростная киносъемка (до 1-го миллиона кадров в секунду) показывает, что большая часть металла и лунки удаляется после окончания разряда, поэтому при изучении тепловых процессов считают, что процессы плавления и выбросы металла с поверхности разделены во времени.
4. Разряд вызывает не только плавление, но и испарение металла. Однако, испарение требует введения очень больших плотностей энергии, что при реальной эрозионной обработке не реализуется.
5. Время установления температуры на поверхности не превышает 10^-7с, что на один-два порядка меньше длительности импульса, поэтому можно считать, что температура на поверхности источника устанавливается мгновенно.

 

      В математической физике известна задача Стефана о сопряжении двух температурных  полей при особом условии на движущейся границе раздела полей. В этом особом условии учитывается скрытая теплота фазового превращения и зависимость теплофизических постоянных от температуры.

      Существует  два метода  решения поставленной задачи:

1. Точный, он учитывает законы изменения теплофизических постоянных во времени и пространстве.
2. Приближенный, при нем теплофизические постоянные не изменяются для диапазонов фазовых состояний материалов. Объем вычислений сокращается на несколько порядков, а точность вычислений – на 10-15%.

Задача  описывается системой уравнений  теплопроводности для жидкой (1) и  твердой (2) фаз. 

                                                

      
 

Система решается при следующих условиях:

                   начальное состояние

  

      На  границах фазовых превращений температура  определяется температурой плавления 

      Скрытая теплота плавления q зависит от теплофизических постоянных (TФП)  обрабатываемого материала n в условии сопряжения двух температурных полей и записывается со знаком  « – », т.к. тепло поглощается. 

      Для оценки величины эрозии предлагается следующая зависимость:

      

,

      где - параметр, который зависит от ТФП обрабатываемого материала и определяет связь между ТФП и скоростью изменения температуры. 

 

       - для постоянной энергии импульса.

Газо-гидродинамические (ГГП) процессы в искровом промежутке

 

      Скоростная  киносъемка показывает, что пробой в жидкости приводит к образованию очень тонкого канала разряда, который быстро (10^-8с) распространяется со сверхзвуковой скоростью (3-5 км/с). С ростом тока канал разряда продолжает расширяться, но с гораздо меньшими скоростями. После прохода тока через max, расширение канала практически прекращается. В конечной стадии разряда скорость жидкости равна 1-5 м/с и начинается образование газового пузыря. Время расширения газового пузыря можно оценить, используя систему уравнений:

 Уравнение движения Эйлера;

      Уравнение непрерывности; 

 
 

Рис. Иллюстрация процессов в  МЭП (ток и давление во времени) 

      Из  полученной зависимости давления от времени импульса можно сделать  выводы о характере протекания ГГП:

      1) существует определенное время в течение действия импульса тока, когда давление в газовом пузыре превосходит атмосферное, что создает условие для перегрева металла выше температуры плавления

      2) после окончания импульса давление  уменьшается ниже атмосферного. Это приводит к взрывообразному вскипанию перегретого металла и выбросу его с поверхности.

      3) для осуществления процесса эрозии  и полного его завершения, импульсы в межэлектродном промежутке должны следовать с определенной паузой.

Термомеханические процессы на поверхности  электродов

 

      Под действием импульсов разрядов на поверхности возникает нестационарное резко неравномерное температурное поле, которое приводит к возникновению термических напряжений. Их величина может превосходить предел прочности обрабатываемого материала, при этом происходят пластические деформации и развитие микротрещин поверхностных слоев.

      В результате проявления термонапряжений, величина которых будет определяться энергией импульса и физикомеханическими свойствами материала, которая может быть положительной, отрицательной или нулевой. В случае превышения внутренними напряжениями предела прочности возможно удаление с поверхности заготовки слоев металла, по объему значительно превосходящих объем расплавленного металла.

      В некоторых случаях используют специальные  режимы ЭЭО для упрочнения поверхностного слоя металла.

      Схемы формообразования при  электроэрозионной  обработке

 

      ЭЭО принципиально позволяет осуществить  все схемы формообразования применяемые  на металлорежущем оборудовании, а  также схемы, присущие штамповке, прокату и др.

      Формообразование  при ЭЭО осуществляется по трем основным схемам: