В первой части мы прошли один цикл разряда по кадрам: напряжение растёт, диэлектрик поляризуется, зазор пробивает искра, кратер и газовый пузырь растут, ток выключается, зазор промывается.
Уточнённое описание процесса
Предыдущее описание было кратким — под слайды с одним циклом разряда. Для понимания тонкостей EDM этого недостаточно, поэтому уточним картину — но сначала разберём один необходимый элемент.
Роль диэлектрика
Независимо от полярности электрода и заготовки, электрод движется к заготовке через изолирующую жидкую среду — диэлектрик. Для прошивных станков это, как правило, диэлектрическая жидкость на углеводородной или кремниевой основе; для проволочных EDM и станков для сверления малых отверстий — деионизированная вода. Вместе с тем сегодня ряд моделей проволочно-вырезных станков и супердрелей работает на масле. В прошлом существовало несколько поколений проволочных EDM с двойной диэлектрической системой: вода — на черновых режимах, масло — на чистовых; сейчас такие машины уже не выпускаются. * Диэлектрическая жидкость — неотъемлемая часть процесса EDM. Она изолирует зазор от преждевременного разряда, охлаждает зону обработки и уносит тепло, повреждённый диэлектрик, стружку и продукты эрозии. Как было показано на слайдах: по мере приближения электрода или проволоки к заготовке вокруг зазора формируется интенсивный электромагнитный поток — «энергетический столб». Это поле притягивает ионы в масле и выстраивает их по полярности электрода — как миллионы крошечных стрелок компаса или стержневых магнитов. Интенсивность поля нарастает до тех пор, пока все ионы не окажутся поляризованы и выстроены между электродом и заготовкой.
Когда захваченные ионы выстраиваются по полярности и удельное сопротивление жидкости приближается к минимуму, одиночная искра проходит через эту ионизированную «трубку потока» и ударяет в заготовку. Напряжение мгновенно падает до «напряжения резания», возникает ток, и искра испаряет всё на своём пути — включая диэлектрическую жидкость. Искра заключена в быстро расширяющуюся газовую оболочку из водорода, углерода и десятков других элементов, выделившихся из заготовки и электрода.
Важная характеристика диэлектрика в EDM — его электрическая прочность. Чем она выше, тем стабильнее искровая эрозия. В EDM электрическая прочность важна по двум причинам:
- Диэлектрик должен противостоять преждевременному пробою — чтобы генератор мог сформировать искру точно в нужный момент.
- После разряда диэлектрик должен быстро реионизироваться и восстанавливаться, чтобы выдержать следующую искру.
Во время разряда диэлектрик в зоне обработки испытывает сильное тепловое и электрохимическое воздействие — ему необходимо время на восстановление. Именно поэтому в EDM используется импульсный ток.
Разбор процесса
Участок заготовки, куда попадает искра, испаряется и плавится, образуя полусферический кратер. Цепочка ионизированных частиц при этом загрязняется продуктами эрозии — выравнивание ионов нарушается, удельное сопротивление диэлектрика резко растёт. (Представьте, что все наши крошечные стрелки компаса или стержневые магниты хаотично теряют ориентацию.) Напряжение начинает расти, ток падать, и в какой-то момент диэлектрик уже не способен поддерживать стабильную искру. Ток необходимо отключить — иначе возникнет разрушительная дуга или обрыв проволоки.
Время, в течение которого ток протекает через искровой зазор, называется временем включения. Название говорит само за себя: это буквально продолжительность существования искры, обычно измеряемая в микросекундах (мкс). Подробнее мы разберём этот параметр в соответствующем разделе, а пока завершим картину EDM-цикла.
Во время включения искра порождает и оказывается окружена быстро растущей газовой оболочкой — газовым пузырём. Его формирование тесно связано с физикой давления паров и является важной частью теории EDM. Не углубляясь в детали: чем быстрее и крупнее образуется этот пузырь, тем лучше для процесса. Сейчас объясним почему.
Пока идёт время включения, всё в зоне дуги распадается на элементарные газы и стремительно расширяется от источника тепла. Когда ток отключается, газовая оболочка схлопывается — и при этом схлопывании образуется зона разрежения, которая втягивает свежий холодный диэлектрик. Он уносит шлам, повреждённый диэлектрик и охлаждает зону обработки. Этот период закономерно называется временем выключения: обработка не ведётся, зато диэлектрик реионизируется и готовится к следующей искре. Продолжительность паузы должна быть достаточной для его восстановления — иначе стабильность резания нарушится.
Вот что представляет собой один EDM-цикл. Чтобы вести обработку, он должен повторяться снова и снова — сотни тысяч раз в секунду. Если вы видели EDM в работе: оранжевое кольцо искр вокруг электрода на прошивном станке или линию синих искр вдоль проволоки на проволочно-вырезом — перед вами сотни тысяч искр, хотя а каждый момент времени существует только одна.
Время включения и время выключения
Знать, как работает электроэрозионный процесс, — недостаточно. Нужно уметь заставить его работать на результат: добиться высокой скорости обработки и хорошего качества поверхности при минимальном износе электрода и минимальном риске дугообразования или обрыва проволоки. Нужно также уметь подбирать режимы для труднообрабатываемых материалов и плохих условий промывки. Оба параметра требуют отдельного разбора — время включения и время выключения это куда больше, чем просто названия для простого цикла переключения.
Время включения
Время включения, как правило, влияет ровно на три вещи: скорость обработки, износ электрода и качество поверхности.
Скорость обработки. Вся обработка происходит в течение времени включения. Зазор пробит, ток течёт, идёт съём материала. Поначалу каждый импульс испаряет заготовку и оставляет небольшой кратер. При более длинных импульсах процесс сдвигается от испарения к плавлению: площадь кратера растёт, и тепло всё активнее распространяется в глубь заготовки.
Есть ли разница между испарением и плавлением? Принципиальная — но у каждого режима своя роль. С точки зрения промывки, чистоты поверхности и «аккуратного» горения испарение предпочтительнее: большая часть материала кратера уходит в газ, а не оседает в зазоре в виде затвердевших частиц, загрязняющих диэлектрик. Тем не менее плавление вполне допустимо и именно оно обеспечивает основную долю скорости обработки и защиты электрода.
На графике выше — режим черновой обработки: время включения 100 мкс, крупные кратеры, шероховатая поверхность.
Качество поверхности. Из примера черновой обработки видно: длинные импульсы дают высокую скорость съёма и крупные глубокие кратеры. Короткие импульсы оставляют кратеры меньшего размера — обработка идёт медленнее, зато растет качество поверхности.
После черновой обработки ток снижают, как правило, вдвое, и уменьшают время включения. Деталь обходят по контуру до финального размера и требуемой шероховатости. В примере получистовой обработки ниже импульсы 40 мкс расположены плотнее, кратеры меньше по объёму — поверхность глаже.
Это стандартная последовательность проходов для электроэрозионный станков всех типов. Здесь показаны три прохода, но их может быть и больше: мощность и время включения снижают до тех пор, пока не достигнуты окончательные размеры и требуемая шероховатость.
Износ электрода. Этот вопрос требует пояснения и касается главным образом прошивных станков: износ проволоки в WEDM волнует нас значительно меньше, если не считать обрывов. Рассмотрим, как время включения влияет на износ — от агрессивной черновой обработки до тонкой чистовой.
Режим «без износа». При агрессивной черновой обработке с временем включения выше 100 мкс может возникнуть явление, известное как осаждение на электрод: тонкий слой графитизированного диэлектрика осаждается на его поверхность. Покрытие защищает электрод от износа, но замедляет обработку — фактически съём идёт уже не электродным материалом. Осаждение обычно заметно визуально: цвет поверхности электрода меняется. В запущенных случаях оно нарастает неравномерно, образуя «наросты» и деформации, которые могут нарушить размеры и допуски.
Малый и средний износ. Изготовление электрода нередко занимает больше времени, чем его фактическая работа, — поэтому нулевой износ кажется привлекательной целью. Однако оптимум для черновой обработки — небольшой износ около 1% за цикл. Режимы, находящиеся чуть «на стороне износа» от границы «без износа», на практике дают максимальную скорость черновой обработки, минимальный износ электрода и исключают риск избыточного осаждения. Дальнейшее сокращение времени включения по мере перехода к чистовым проходам закономерно влечёт нарастающий износ — это «средний износ» в общем смысле.
Высокий износ. Характерен для тонкой чистовой обработки на прошивных станках, а также при работе с такими материалами, как твёрдый сплав и титан. Операции разные, но в обоих случаях требуется малое время включения — вывод один: короткие импульсы дают высокий износ электрода.
В примере чистовой обработки время включения снижено до 20 мкс — волновой рисунок становится плотнее, чем при получистовой или черновой обработке. Мелкие короткие искры дают более гладкую поверхность и более высокий износ. Правило: черновая обработка — длинные импульсы, чистовая — короткие. Частота раньше была самостоятельной настройкой генератора (кГц), сегодня это лишь справочный термин.
Износ в EDM в целом. Картина здесь прямо противоположна тому, что мы знаем о традиционной обработке на токарных, фрезерных и шлифовальных станках: там инструмент интенсивнее изнашивается при чистовой обработке, в EDM — при черновой. Почему?
Ответ нестрогий, но технически верный: за исключением режима «без износа», каждая искра срывает с электрода микроскопическую частицу. Скорость этого процесса зависит от полярности электрода, типа и плотности его материала — но при любом материале больше искр в единицу времени означает пропорционально больший износ. Посмотрите на частоты сигналов на трёх графиках — от черновой до чистовой — и логика станет очевидной. Ещё раз: больше искр = больше износа.
Время выключения
Время выключения влияет ровно на два параметра: скорость обработки и стабильность обработки.
Скорость обработки. Весь съём металла происходит во время включения, однако продолжительность паузы — необходимой для реионизации диэлектрика и вымывания продуктов эрозии — напрямую сказывается на темпе работы. Чем дольше пауза, тем дольше идёт обработка.
Время выключения — неизбежная часть EDM-цикла. Как правило, чем короче пауза, тем быстрее идёт обработка — но лишь до определённого предела. Стабильность здесь так же важна, как скорость.
Стабильность обработки. Скорость без стабильности ничего не стоит. Увеличение паузы замедляет процесс, но даёт необходимую стабильность. Если паузы не хватает, цикл начинает сбоить: сервоприводы хаотично отводятся и возвращаются, накапливается холостой ход — и в итоге потери времени оказываются больше, чем от спокойно работающего, пусть и менее агрессивного режима.
Аналогия: что лучше — автомобиль, который разгоняется от 0 до 160 км/ч рывками в случайные моменты, или тот, что уверенно держит 90 км/ч весь день?
Минимальное время выключения — главный резерв скорости после времени включения. Но без достаточной паузы устойчивая обработка просто невозможна. В этом противоречии стабильность важнее скорости.
Износ электрода. Подождите — только что было сказано, что время выключения влияет лишь на два параметра. Зачем тогда этот раздел?
Потому что кое-где до сих пор бытует мнение, что пауза влияет и на износ. Логика такая: если за час накапливается 10% износа, то при удвоении паузы работа займёт вдвое больше времени — значит, и износ составит 20%. Это ошибка.
Правильная логика опирается на физику: когда ток выключен — он выключен полностью. Ничего, кроме восстановления диэлектрика, не происходит. Нет тока — нет искры — нет износа. Если изменить только время выключения, изменится лишь продолжительность работы.
Представьте: для обработки некой полости нужно ровно 1000 искр. Если они следуют с интервалом 10 мкс — работа идёт быстро. Если с интервалом 10 секунд — займёт часы, но износ не увеличится ни на микрон. 1000 искр — это 1000 искр, сколько бы времени между ними ни прошло. Итог: время выключения влияет только на продолжительность работы, но не на износ электрода.
Время включения и время выключения мы разобрали по отдельности. Дальше посмотрим, что они дают вместе — и как по их соотношению судить о ходе обработки.