Электроэрозионные станки: для чего нужны и как работают

Электроэрозионная обработка — это один из наиболее ранних и распространенных методов обработки материалов. Ее основное преимущество заключается в способности обрабатывать электропроводящие материалы независимо от их твердости, прочности и других механических свойств. Электроэрозионный станок позволяет обрабатывать детали и компоненты с сложной геометрией, обеспечивая высокую точность размеров и чистоту поверхностного слоя. На данный момент электроэрозионная обработка активно применяется в производстве штампов и пресс-форм, а также в таких отраслях, как аэрокосмическая, автомобильная, микроэлектронная и биомедицинская. Существует несколько основных видов электроэрозионной обработки: проволочно-вырезная и копировально-прошивная, а также электроэрозионные сверлильные станки (супердрели), которые также заслужили признание на рынке. С учетом растущей тенденции к миниатюризации, электроэрозионная обработка в микромасштабе становится все более востребованной.

Принцип работы электроэрозионного станка

Принцип работы электроэрозионного станка остается одинаковым для всех типов электроэрозионной обработки, включая копировально-прошивную, проволочно-вырезную и супердрели. Процесс электроэрозии основывается на обработке электропроводящих материалов с помощью быстрых повторяющихся искровых разрядов в диэлектрической жидкости, расположенной между электродом-инструментом и заготовкой.

В процессе обработки к электропроводящему инструменту прикладывается разность потенциалов, в результате чего между электродом и заготовкой возникает искра. Электрод-инструмент перемещается к заготовке, находясь в диэлектрической среде (обычно это деионизированная вода или углеводородное масло, которое служит изолятором и охлаждающей жидкостью). Когда изолирующий эффект диэлектрической жидкости нарушается под действием сильного электрического поля, происходит разряд одиночной искры между электродом и заготовкой. Энергия искры и, соответственно, площадь искрового промежутка зависят от величины тока, которая определяется напряжением и сопротивлением. Временной интервал, в течение которого происходит включение и выключение тока, известен как длительность импульса и интервал между импульсами, что способствует созданию условий для нового разряда. В результате образования кратера от взрыва парового пузыря удаляемый материал выбрасывается в виде крошечных частиц, которые затем смываются в диэлектрике между импульсами. Высокая точность обработки обеспечивается благодаря фасонному электоду, который определяет область электроэрозии. Материал для электродов обычно выбирается из меди или графита, так как они обладают высокой электропроводностью.

Электроэрозия отлично справляется с задачами, требующими создания глухих полостей или прямых углов на стенках, поскольку изготовление ответных форм для электродов гораздо проще. Таким образом, сформированный электрод-инструмент в диэлектрической среде воспроизводит свою форму в заготовке.

Электроэрозионный копировально-прошивной станок

В копировально-прошивных станках используется метод искровой эрозии для удаления металла. Блок питания создает электрические импульсы между заготовкой и электродом-инструментом. Между ними поддерживается небольшой зазор, заполненный диэлектрическим маслом. При достижении достаточного напряжения масло ионизируется, и контролируемые искры плавят и испаряют материал с поверхности заготовки. Под давлением диэлектрическое масло охлаждает испаренный металл и уносит эродированные частицы из рабочей зоны. Система фильтрации очищает масло от взвешенных частиц, после чего оно проходит через охладитель, который отводит тепло, вырабатываемое в процессе искровой эрозии. Охладитель поддерживает постоянную температуру масла, что способствует высокой точности обработки. Генератор создает искры по поверхности электрода, а сервомеханизм поддерживает необходимый зазор между электродом и заготовкой. Сервоприводы в исполнительных органах станка предотвращают контакт электрода с заготовкой, так как в случае касания возможен короткое замыкание и остановка процесса.

Электроэрозионный проволочно-вырезной станок

Проволочно-вырезная электроэрозионная обработка стала одной из самых значительных инноваций в инструментальной и механообрабатывающей промышленности. Этот метод привёл к значительным улучшениям в точности, качестве и производительности обработки. Ранее для производства деталей использовались дорогостоящие методы, но сегодня проволочные электроэрозионные станки, управляемые компьютерами, позволяют эффективно и экономично обрабатывать сложные геометрические формы даже из труднообрабатываемых материалов, таких как карбид вольфрама. Современные высокопроизводительные электроэрозионные станки обеспечивают лучшее качество поверхности и могут сократить время обработки по сравнению с традиционными методами, такими как фрезерование, протяжка и шлифовка.

Хотя проволочно-вырезная электроэрозионная обработка считается особенно конкурентоспособной при работе с дорогими и сложными деталями, она также применяется для обработки простых форм и легко обрабатываемых материалов. В этом процессе используется подвижный проволочный электрод-инструмент, который проходит через заготовку и управляется числовым программным управлением. Удаление материала происходит с помощью электричества через искровую эрозию, что требует, чтобы материал заготовки был электропроводным.

Между проволочным электродом и заготовкой создаются электрические импульсы постоянного тока. Для обеспечения точности и надёжности процесса используется экран из деионизированной воды, которая называется диэлектриком. Чистая вода служит изолятором, однако водопроводная вода содержит минералы, которые делают её слишком проводящей. Поэтому используется резервуар с деионизирующей смолой для контроля проводимости воды и удаления её проводящих элементов. По мере работы станка проводимость воды увеличивается, и насос поддерживает её стабильный уровень через резервуар со смолой.

В процессе резки электрические импульсы наносят мелкие разрушения на заготовку, приводя к её плавлению и испарению. Эти импульсы повторяются тысячи раз в секунду, а охлаждающая жидкость удаляет испарившийся металл и затвердевшие частицы. Диэлектрическая жидкость проходит через фильтры, удаляющие взвешенные частицы и растворённые примеси. Для поддержания точности обработки жидкость охлаждается до постоянной температуры. Сервосистема поддерживает зазор между проволочным электродом и заготовкой в пределах 0,025 до 0,07 мм, предотвращая короткие замыкания и обеспечивая точную форму обработки. Проволочный электрод, обычно из латуни или латунно-цинкового сплава диаметром от 0,025 до 0,357 мм, или из молибдена/вольфрама, непрерывно подаётся в зону резания, что обеспечивает высокую точность и повторяемость процесса.

Электроэрозионный сверлильный станок

Электроэрозионные сверлильные станки, известные как супердрели, давно заняли свою нишу в инструментальной промышленности. Они преимущественно применяются для сверления входных отверстий, которые затем обрабатываются на проволочно-вырезных станках. Эти машины способны сверлить отверстия глубиной до 500 мм при диаметре, начиная с 0,1 мм. Современные модели оснащаются электроприводами осей, системами числового программного управления для автоматической обработки нескольких отверстий, системами компенсации износа электрода-трубки и автоматическими сменщиками электродов.

Ключевым требованием для последующей загрузки проволоки в вырезной станок является соблюдение вертикальности. У супердрелей этот параметр всегда на высоте, что объясняется отсутствием механического воздействия, способного деформировать электрод или отверстие. В процессе работы электрод вращается, создавая тело вращения в заготовке. На практике отверстие, полученное после прожига, обычно больше диаметра электрода на 8-15%, в зависимости от требований к скорости или качеству обработки.

Супердрели незаменимы в авиастроении и энергетике. Они позволяют сверлить отверстия диаметром от 0,1 мм в лопатках газотурбинных двигателей и форсунках, а также создавать охлаждающие отверстия в режущем инструменте, обеспечивая при этом высокую скорость и чистоту обработки. Длительность импульса может составлять всего сотни наносекунд. Современные генераторы позволяют выполнять орбитальные движения, которые ранее не были доступны для супердрелей. Эти станки обладают широкими возможностями автоматизации: оснащены автосменщиками электродов и направляющих, а также поддерживают роботизацию. Интеллектуальная система управления износом электрода автоматически выбирает подходящий электрод и вносит коррективы в процессе обработки для компенсации износа.