Электроэрозионная резка металла: что о ней надо знать

Обработка металлов различного уровня твердости с высокой точностью возможна при использовании нетрадиционных способов. К ним относится и резка, шлифовка и укрепление поверхности электроэрозионными воздействиями. Электроэрозионный станок придуман достаточно давно, но получил распространение только в последние десятилетия.

Первый станок промышленного уровня был создан компанией CHARMILLES TECHNOLOGIES в 1952 году, а электроэрозионный станок с ЧПУ появился в 1969 году. По сравнению с традиционными способами обработки металлов — ковкой, литьем, шлифованием, фрезеровкой, электроискровой способ можно считать инновационным. Первым упоминаниям о кованых и литых изделиях несколько тысяч лет.

Границы применения электроэрозионной обработки

Все металлы относятся к токопроводящим веществам, поэтому электроэрозионная обработка применима ко всем видам сплавов. С ее помощью можно выполнять широкий спектр работ, начиная от обычной резки и сверления и заканчивая:

• тонким шлифованием;
• наращиванием поверхности и восстановлением конфигурации;
• упрочнением;
• копированием;
• прошивкой;
• гравировкой;
• напылением.

Электроэрозионное оборудование базируется на принципе возникновения кратковременной электрической дуги, которая приводит к потере вещества катодом и анодом. При кратковременном импульсе вещество удаляется с анода, при более длительном — с катода. Современные электроэрозионные станки используют в работе оба вида импульсов. К положительному или отрицательному полюсу могут подсоединяться и рабочий инструмент и обрабатываемая деталь.

Возможности электроэрозионного станка

Единственное условие, которое соблюдается во всех видах станков — используется только постоянный ток. Уровень напряжения и сила тока зависят исключительно от параметров обрабатываемого металла. Частота возникновения импульсов определяется механическим сближением и отдалением электрода и рабочей поверхности — пробой возникает только на определенном расстоянии между контактными поверхностями.

Электроимпульсная обработка металлов направленная на разрушение обрабатываемой детали (резание или сверление) производится в диэлектрической среде, представляющей собой специальную жидкость. Чаще всего используются масло, керосин или дистиллированная вода. Операции по наращиванию поверхности, укреплению или напылению выполняются в воздухе или вакууме.

Принцип работы

В процессе применения проволочно-вырезного станка латунная проволока используется наиболее часто в качестве режущего инструмента. Она выполнятся по уникальной технологии, и от её качества зависит скорость и аккуратность обработки.

Если применяется генератор высокочастотных импульсов повышенной мощности, встроенный в описываемый станок, латунная проволока оснащается специальным покрытием. Ее структура имеет несколько слоев:

• Основа — CuZn40 (медно-цинковый сплав) или латунь. Также может использоваться молибден, медь.
• Термодиффузионный слой — концентрация цинка более 50%.
• Верхний слой — чистый цинк.

За счёт такой структуры проволока обладает рядом достоинств:

1. Выдерживает высокие температуры.
2. Дуга в процессе обработки стабильна, исключается образование наплывов на месте разреза.
3. Снижен расход проволоки на длину разреза.

Проволочные электроэрозионные станки с ЧПУ применяются, в основном, в серийном производстве. Единичные изделия не оправдывают покупку дорогостоящего оборудования, но некоторые детали возможно получить только данным видом реза. Покрытие из цинка обеспечивает непрерывность автоматического процесса за счёт исключения осыпания латуни от высокочастотных токов.

Электроэрозионная резка металла

Этот вид обработки используется в случаях, когда необходимо изготовление сложных по контуру деталей небольшого размера с высокой точностью кромок, изготовление деталей из особо твердых сплавов, в ювелирном деле. Ограничения по размерам заготовок и толщине обрабатываемого материала определяются только конструкцией конкретного станка. В большинстве случаев, электроэрозионная обработка резкой применяется на промышленных предприятиях, ориентированных на крупносерийное производство деталей высокой точности, не требующих дальнейшей обработки.
Но без особого труда можно построить электроэрозионный станок своими руками, если обладать некоторыми слесарными навыками и определенными знаниями электроники и электротехники. Схема самодельного электроэрозионного станка для резки несложная и реализовать ее можно даже в домашних условиях, не говоря уже о металлообрабатывающей мастерской или цехе небольшого предприятия.

Но следует учесть, что в самодельных станках очень сложно реализовать главные преимущества электроэрозионной обработки — высокую точность и универсальность. Тугоплавкие металлы и сплавы режутся очень медленно и требуют большого расхода электроэнергии.

При резке металла заготовка подключается к положительному полюсу источника тока, рабочий электрод — к отрицательному. Потеря вещества на аноде — не что иное, как эрозия, разрез, толщина которого зависит от геометрии катода. Большую роль играет и вид диэлектрика, с которым работает определенный вид электроэрозионных станков.

Для промышленного производства применяются два основных вида оборудования — электроэрозионный проволочный станок (вырезной) и электроэрозионный прошивной станок. Первый вид используется при обработке габаритных деталей из толстостенного металла, второй — для более точной работы по копированию деталей из высокопрочных материалов или строгих требованиях к их форме.

Технологические показатели

Электроискровая установка, в зависимоти от режима роботы, может обеспечивать точность результата в широких пределах. Если требуется высокая производительность при относительно невысоких требованиях к состоянию поверхности (I и II класс), то используются токи 10-60 А при напряжении до 220В. В этом случае электроискровая эрозия может удалить из зоны реза или сверления металл в объеме до 300 мм3/мин. При более высоких показателях класса точности — VI и VII, производительность снижается до 20-30 мм3/мин, но и токи требуются поменьше, не более 1 А при напряжении до 40 В.

Такой широкий диапазон регулировок показывает, что электроискровая обработка металла может использоваться в различных областях, как для производства крупных серий деталей, так и для разовых работ, включая ювелирные.

Особенностью применения электроискровых установок можно считать возможность укрепления деталей различной конфигурации. На поверхность заготовки наноситься тончайший слой более прочного сплава или металла без нагрева основания на большую глубину. Это позволяет сохранить структуру металла базового изделия и значительно изменить свойства его поверхности. В некоторых случаях требуется вязкость основания и высокая твердость поверхности, или в обратном порядке. Решить эту задачу может только электроискровой станок.

Проволочно-вырезные станки

Электроэрозионный промышленный проволочно-вырезной станок работает по бесконтактному принципу взаимодействия токопроводящей проволоки (молибден, вольфрам или иной тугоплавкий металл) диаметром 0,1-0,2 мм и заготовки. Обрабатывать можно металл любого уровня тугоплавкости в различной толщине детали. К проволоке, намотанной на вращающиеся барабаны, которая движется в двух направлениях — по вертикали и в сторону обрабатываемой детали, подсоединен положительный полюс, к заготовке — отрицательный.
По мере движения линии проволоки возникает разряд, который прожигает в детали линии требуемой конфигурации. По сути, электроэрозионная обработка на проволочном станке выполняет операции фрезеровочного, но на металлах особой прочности и с точностью, недостижимой при механической обработке. Это включает:

• сверхмалые углы;
• закругления микродиаметров;
• сохранение параллельности линий на всей глубине;
• высокую точность поверхности кромок.

Точность обработки достигает 0,110-0,012 мм.

Преимущества и недостатки

Любой метод имеет свои сильные и слабые стороны. Основные достоинства технологии:

1. Произвольная форма инструмента, возможность исполнения закрытых каналов и полостей.
2. Позволяет работать с любым материалом-проводником.
3. Высокая степень автоматизации, малая вероятность брака из-за человеческого фактора.
4. Точность обработки и повышенное качество получаемой поверхности в сравнении с механическим способом.

При всех своих достоинствах метод имеет и весьма серьезные недостатки. Два основных минуса таковы:

1. Низкая скорость электроэрозионной обработки. В современных станках скорость движения инструмента не превышает 10 мм в секунду.
2. Очень большое потребление электроэнергии.

По совокупности параметров электроэрозия превосходит многие традиционные методы металлообработки, а в некоторых случаях не имеет альтернативы. На сегодня сфера использования электроэрозии весьма обширна.

Электроэрозионные прошивные станки

Электроконтактная прошивочная обработка металлов заключается в воздействии точечного электрода с заданной формой поперечного сечения, от которого зависит форма эрозионного углубления в заготовке. Применяются они для обработки:

• нержавеющих сталей;
• инструментальных сплавов;
• титана;
• закаленной стали.

Но работать могут со всеми видами токопроводящих материалов, когда требуется изготовление отверстий или углублений большой глубины с минимальным диаметром и точной геометрией сечения.

Одной из самых сложных операций прошивочного станка является изготовление резьбовых отверстий в тугоплавких материалах высокой прочности. В этом случае используются только станки с ЧПУ. Электрод из тонкой проволоки заводится внутрь отверстия и перемещается в продольном и поперечном направлении (по осям X,Y, с одновременным перемещением по оси Z). Получается отверстие со сложной конфигурацией стенки, резьбовой или иного профиля.

Электроконтактная обработка позволяет получать высокоточные оттиски штампов, пресс-форм или иных малогабаритных деталей. В этом случае электрод является миниатюрной копией требуемого изделия, изготовленной из меди или графита. В зависимости от полярности соединения на заготовке получаются четкие углубления или не менее четкие выступы. Такие электроэрозионные станки производятся как в стационарном, так и в настольном исполнении (например, G11 ARAMIS (Чехия)).

Конструкция

Электроэрозионный проволочно-вырезной станок оснащается плоскопараллельными двигателями. Для этого производители создают свои неодимовые магниты (NdFeB — неодим-железо-бор). Кроме них потребовалась и уникальная система управления K-SMS.

Классический электроэрозионный проволочно-вырезной станок способен обрабатывать только электропроводящие заготовки. Металлы прожигаются дугой на значительную глубину. На месте среза остается гладкая поверхность, часто не требующая дополнительной обработки.

Электроэрозионный проволочно-вырезной станок помогает получить сложные изделия: пресс-формы, штаммы, конические и цилиндрические поверхности, выступы и скосы. В продаже можно найти двухкоординатные сборки, применяемые для простейших операций. Более сложные изделия получаются с применением пятикоординатных машин.

Дополнительные опции

Покупатель станка с электроэрозией может дооснастить оборудование представленными опциями:

• Контролируемое положение оси C. Чаще требуется для фрезерной обработки цилиндрических заготовок.
• Револьверная головка с дополнительными степенями свободы инструмента. При помощи такой модели получают геометрически сложные детали.
• Стол может иметь дополнительные оси. Такой вариант используется при обработке корпусных изделий или нескольких заготовок за один цикл.

В стандартную комплектацию включают системы очистки рабочей жидкости, позволяющие проводить фильтрацию с качеством до 3 мкм. Загрязнившиеся картриджи имеют стандартные размеры и меняются довольно быстро.

Обработка металлов различного уровня твердости с высокой точностью возможна при использовании нетрадиционных способов. К ним относится и резка, шлифовка и укрепление поверхности электроэрозионными воздействиями. Электроэрозионный станок придуман достаточно давно, но получил распространение только в последние десятилетия.