Во второй части мы разобрали диэлектрик и два параметра, которыми задаётся разряд: время включения и время выключения. Первое определяет ток, размер кратера и износ электрода, второе — только продолжительность работы.
Цикл EDM
Время включения и время выключения в совокупности образуют один цикл электроэрозионный обработки. Конкретные значения каждого параметра определяются материалом заготовки, материалом электрода, качеством промывки, требуемой скоростью и шероховатостью поверхности.
В упрощённом виде форма сигнала EDM близка к прямоугольной: время включения — верхняя часть, время выключения — нижняя, ось времени (в мкс) идёт слева направо.
20 мкс вкл. / 20 мкс выкл.
«Упрощённой» называют её не случайно: в современных генераторах специальные схемы формируют самые разные формы импульсов под разные задачи. Одни дают короткие высоковольтные «зондирующие» импульсы, чтобы «проверить», готов ли зазор к следующему разряду. Другие используют нарастающие («наклонные») фронты для снижения износа электрода.
Разобрать каждую стратегию невозможно, но общий принцип неизменен: у любой формы сигнала есть начало (время включения) и конец (время выключения). Один цикл электроэрозии отсчитывается от начала одного импульса до начала следующего — как шаг резьбы или зубчатого колеса.
Зачем это знать? Для нас это аналог тахометра в гоночном автомобиле: нужно понимать, в каком диапазоне мощности ты работаешь на данной передаче. В EDM соотношение времени включения и выключения — это и есть «тахометр» эффективности процесса.
Рабочий цикл
Отношение времени включения к суммарному времени цикла даёт рабочий цикл EDM — показатель, по которому можно судить о ходе и эффективности обработки. Формула проста: разделить время включения на сумму времени включения и выключения, умножить на 100.
Время включения / (время включения + время выключения) × 100 = рабочий цикл (%)
Три примера — черновой, получистовой и чистовой проход:
| Режим | Вкл., мкс | Выкл., мкс | Рабочий цикл |
|---|---|---|---|
| Черновой | 100 | 20 | 83% |
| Получистовой | 40 | 20 | 66% |
| Чистовой | 20 | 20 | 50% |
Что это даёт? Вернёмся к аналогии с тахометром. Глядя на рабочий цикл, сразу видно, есть ли резерв для оптимизации. В нашем примере черновой режим на 83% уже работает близко к пределу — тюнинговать почти нечего. Получистовой на 66% — есть небольшой запас. Чистовой на 50% теоретически наименее эффективен и имеет наибольший потенциал для улучшения. Однако на чистовых режимах искровой зазор меньше, промывка затруднена — и сократить время выключения удаётся далеко не всегда.
В идеале паузу всегда хочется сделать как можно короче — но материал электрода, материал заготовки, условия промывки и состояние диэлектрика постоянно вмешиваются в эти планы. Задача — найти баланс между эффективностью и стабильностью.
Полярность электрода
В EDM полярность определяет, является ли электрод положительным или отрицательным, и в каком направлении текут эрозирующие электроны — от электрода к заготовке или наоборот.
Генераторы прошивных станков позволяют переключать полярность под конкретную задачу. В большинстве случаев, если речь не идёт о специфических материалах, прошивка ведётся с положительным электродом: некоторым снижением скорости обработки жертвуют ради защиты электрода от интенсивного износа.
Отрицательная полярность электрода применяется при высокоскоростном съёме графитом, а также является обязательной при обработке таких материалов, как твёрдый сплав, титан, тугоплавкие металлы и сплавы на основе меди. Во всех этих случаях износ электрода будет высоким в зависимости от материала заготовки, и это не зависит от материала самого электрода.
На проволочных станках полярность, как правило, не переключается. WEDM обычно работает с отрицательной полярностью проволоки: скорость обработки здесь значительно выше, а износ проволоки, в отличие от фасонного электрода, почти не беспокоит. Стоимость электрода для прошивного станка высока — и за счёт цены самой заготовки, и за счёт времени на её изготовление. На проволочном станке расходы на проволоку тоже есть, но ни машинного времени на изготовление, ни проблемы износа и ресурса — нет.
Напряжение
В генераторах электроэрозионный станков используются два типа напряжения: напряжение разомкнутого зазора и рабочее напряжение.
Напряжение разомкнутого зазора — это высокий предустановленный электрический потенциал, при котором электрод «ищет» заготовку под напряжением, но обработка ещё не началась. После пробоя зазора напряжение резко падает, ток нарастает — начинается обработка на уровне рабочего напряжения
Рабочее напряжение — среднее напряжение в процессе обработки, оно ниже напряжения разомкнутого зазора. Теоретический оптимум — около 35 В, однако достичь его непросто: по мере снижения напряжения искровой зазор становится меньше, и обеспечить нормальную промывку всё сложнее.
Выбор напряжения определяет величину искрового зазора и перереза. Для высокопроводящих пар электрод–заготовка напряжение разомкнутого зазора можно установить низким — вплоть до 60 В при работе медным электродом по алюминию. При обработке материалов с низкой проводимостью, например графитовым электродом по твёрдому сплаву или поликристаллическому алмазу (ПКД), требуется гораздо более высокое напряжение — до 300 В. Многие станки оснащены специальными высоковольтными схемами для таких задач.
Сервонапряжение
Сервонапряжение регулирует рабочее напряжение между электродом и заготовкой — не путать со скоростью сервопривода. Этот параметр управляет искровым зазором через напряжение: оператор может с его помощью увеличить скорость резания или улучшить промывку. Снижение сервонапряжения принудительно сближает электрод с заготовкой — искре приходится прыгать через меньший зазор. Скорость резания растёт по простому правилу: чем ниже напряжение, тем выше ток.
Такой приём называется «поджатием зазора» и регулярно используется опытными операторами, чтобы выжать из обработки последние крупицы скорости. Можно описать сервонапряжение как верньерную шкалу — инструмент тонкой подстройки любого прохода.
Управление зазором работает и в обратную сторону. Если нужно чуть улучшить промывку, сервонапряжение повышают — искра становится длиннее и прыгает через больший зазор. Дополнительное пространство помогает вымыть продукты эрозии и нередко снижает число обрывов проволоки. Ток при этом падает, обработка замедляется, расход проволоки и времени растёт — но в таких ситуациях медленная, зато непрерывная обработка лучше, чем непредсказуемые сбои и простои на перезаправку проволоки.
Скорость сервопривода
Этот параметр, известный также как коэффициент усиления, формально выходит за рамки основ электроэрозионной теории — он не является прямым электронным воздействием генератора, а относится к механике станка. На обычном металлорежущем станке его назвали бы «подачей» или «скоростью подачи». Тем не менее разобраться в нём необходимо, и сделать это без аналогий непросто.
Представьте: опускающийся по оси Z электрод прошивного станка — это тяжёлая гиря, а идеальный искровой зазор удерживает крошечный человечек, стоящий в зазоре с поднятыми руками и не дающий электроду коснуться заготовки. (Для проволочного станка поверните эту картинку на 90°.) При высокой скорости сервопривода гиря «падает» быстро — человечек прогибается под её весом и инерцией и вынужден сопротивляться постоянному давлению.
На проволочном станке высокий коэффициент усиления не так критичен: как только зазор установился — быстро или нет — удерживать его проще, потому что нагрузка прикладывается равномерно в направлении реза и работают дополнительные компенсации. Хотя превысить допустимое значение всё равно можно.
На прошивном станке с циклами «клевания» картина иная: человечку снова и снова приходится останавливать падающую гирю на протяжении всей программы. Наш EDM-человечек не устаёт — но работает тяжелее, чем нужно.
Слишком высокий коэффициент усиления — и сервопривод начинает физически вторгаться в искровой зазор из-за перерегулирования, нарушая стабильность разрядов. Особенно это критично на чистовых режимах с их микроскопическими зазорами. При правильной скорости сервопривода электрод приближается к заготовке с темпом, который даёт системе управления время на обработку обратной связи и корректное управление процессом.
На проволочных станках низкая скорость сервопривода иногда применяется на финальных проходах для получения более прямолинейной детали: медленная подача в сочетании с высокой скоростью протяжки проволоки позволяет большему её количеству пройти по обрабатываемой поверхности и «доискриться», снижая конусность от износа. Пример мягкого сервопривода на прошивном станке — правка тонкого электрода диаметром < 0,5 мм: здесь необходимы высокая скорость вращения шпинделя (1000+ об/мин) и мягкий сервопривод для полной и равномерной правки.
Слишком низкий коэффициент усиления — и ось подачи начинает «парить» над деталью вместо того, чтобы уверенно выходить на рабочий зазор. Цикл удлиняется, скорость резания скачет. В нашей аналогии: человечек носится по зазору, пытаясь поймать почти невесомый электрод, — и периодически отскакивает от собственных рук. Управляемая ось начинает непроизвольно отходить от реза. Уверен, каждый оператор EDM хоть раз это испытывал — намеренно или нет.
Извините за карикатуру, но именно эта картинка на любом языке наглядно показывает, как генератор и сервосистема могут работать слаженно, а могут — вхолостую или даже друг против друга. EDM и без того достаточно сложная вещь.
На этом с теорией закончим. Осталось перевести её в то, что делают руками у станка.