Основы
Разбирая основы электроэрозионной обработки, мы неизбежно заходим и в теорию — а она, если копать всерьёз, куда глубже, чем можно охватить в одной статье.
Полное погружение в теорию — это серьёзное академическое исследование с такими понятиями, как «распространение направленных стримеров» и «электронные каскады (лавины)», и как минимум четырьмя теориями диэлектрического пробоя: теория пузырьков, теория взвешенных частиц, теория электронного пробоя и теория кавитации. Туда мы не пойдём. Нам нужно понять, как работает электроэрозионный процесс — но это не значит писать диссертацию.
Электроэрозионная обработка
Аббревиатура EDM и полное название Electrical Discharge Machining — синонимы и используются взаимозаменяемо. WEDM — более позднее сокращение, относящееся конкретно к проволочно-вырезной электроэрозионной обработке. Основы, которые мы рассматриваем, применимы как к прошивной, так и к проволочной ЭЭО — независимо от типа электрода или диэлектрика.
Что такое EDM
Электроэрозионная обработка — это процесс удаления материала с токопроводящей заготовки с помощью высокочастотного импульсного электрического тока, который подаётся через профилированный электрод или проволоку. Электрод никогда не касается заготовки: ток разряжается через изолирующую диэлектрическую жидкость (воду или масло) через очень малый искровой зазор — от 0,005 до 0,8 мм в зависимости от напряжения, силы тока, материала электрода и типа диэлектрика. Температура искры достигает плазменных значений — от 8000 до 12 000 °C — и она буквально испаряет и расплавляет материал заготовки перед собой.
Электроэрозионную обработку применяют тогда, когда материал заготовки слишком твёрд, или когда форма или расположение детали делают традиционные методы непрактичными. Это превращает многие прежде труднодостижимые задачи в решаемые — а нередко электроэрозия оказывается единственным возможным способом изготовить деталь нужной формы или из нужного материала.
История открытия EDM
Это немного в стороне от нашей основной темы, но история открытия EDM слишком интересна, чтобы её пропустить.
К началу Второй мировой войны системы зажигания двигателей внутреннего сгорания были устроены просто: высоковольтная катушка, роторный распределитель, контактный прерыватель. Конструкция отработанная — кое-где работает до сих пор. Но у неё было слабое место: контакты прерывателя изнашивались. При каждом замыкании и размыкании под напряжением они искрили, оплавлялись, поверхность становилась неровной — и зажигание работало всё хуже, пока двигатель не останавливался совсем.
В мирное время это неприятность. В войну — катастрофа. Т-34, основной танк СССР, зависел от этой детали стоимостью в несколько копеек. Один отказ — и машина выходит из строя в решающий момент.
Лазаренко
В 1941 году супруги Борис и Наталья Лазаренко, профессора электротехнического института, получили задание разобраться с износом контактов зажигания. В ходе экспериментов они погружали контакты в различные диэлектрики — прежде всего в масло — и убедились, что диэлектрик сильно влияет на скорость износа, причём по-разному в зависимости от полярности. Практического решения исходной задачи найти не удалось. Зато эти исследования привели к открытию процесса, который мы сегодня знаем как электроэрозионную обработку.
В дальнейших работах Лазаренко использовали накопленные данные, чтобы изучить управляемый съём металла с помощью того самого искрового разряда, который раньше считался вредным. Из компонентов серийных автомобильных систем зажигания они в 1943 году собрали первый генератор для искровой обработки. Его схема — резистор, конденсатор, искровой промежуток — стала прототипом для всех последующих RC-генераторов (их также называют «релаксационными»). Подробнее об этом позже.
Первые электроэрозионные станки предназначались для сверления отверстий и удаления сломанных метчиков. Сервопривода не было: электрод подавали вручную — деревянной рукояткой, — и оператор буквально «выклёвывал» металл. Тем не менее за военные годы было выпущено несколько сотен таких установок, а схема R/C стала основой для всего следующего поколения генераторов.
Следующим шагом стала разработка сервосистемы, позволившей вести контролируемую обработку. Но до конца войны и появления интереса со стороны других стран и компаний электроэрозионная обработка оставалась практически исключительно советской технологией.
Дальнейшее развитие
Среди компаний, заинтересовавшихся новой технологией, оказалась американская корпорация Ex-Cell-O, которая также начала исследования в области EDM в 1940-х. По неподтверждённым слухам, она получила материалы Лазаренко от советской стороны и запустила собственный секретный проект под кодовым названием «Метод X». Слухи или нет — в 1950 году Ex-Cell-O стала первой компанией за пределами СССР, выпустившей коммерческий EDM-станок под названием XLO EDM. Несколько лет спустя, в 1954 году, в Швейцарии была основана AGIE, а в 1955-м другая швейцарская компания — Les Ateliers des Charmilles — представила свой первый станок.
В 1964 году появились транзисторы, и их более быстрая и точная схема переключения почти сразу начала вытеснять RC-генераторы. Прошивные станки планомерно совершенствовались, но по-настоящему переломным стал 1969 год: профессор Бернд Шумахер из AGIE объявил о создании первого коммерческого проволочно-вырезного станка — AGIECUT DEM-15. *
Системы управления EDM эволюционировали стремительно: оптические системы сменились перфокартами IBM, затем перфолентой, автономными CAD-системами — и наконец пришли к сегодняшним возможностям беспроводной связи и твердотельного моделирования.
Не отставали и генераторы — как прошивных, так и проволочно-вырезных станков: от схемы Лазаренко и батарей вакуумных ламп до современных твердотельных транзисторов с наносекундным переключением и способностью давать зеркальную поверхность. От электрода на деревянной рукоятке — до одновременной шестиосевой обработки с ЧПУ на наклонных и поворотных столах.
Ладно, с историей покончено.
Ход процесса электроэрозионной обработки
На рисунках ниже показаны стадии одного цикла электрического разряда. Положительный электрод погружён в диэлектрик и медленно приближается к заготовке отрицательной полярности. В синих полях таблиц — напряжение и сила тока, изменяющиеся во времени по горизонтальной оси.
Высокое потенциальное напряжение — «напряжение разомкнутого зазора». По мере приближения к заготовке оно создаёт сильное электромагнитное поле.
Поле усиливается, притягивает и поляризует ионы в диэлектрике — его удельное сопротивление снижается. Напряжение разомкнутого зазора достигает максимума.
Сопротивление диэлектрика преодолено: потенциал пробивает зазор в виде дуги. Вольтметр падает до «напряжения резания», появляется измеримый ток. Началась обработка — время включения и электрический разряд.
Раскалённая до плазменных температур искра испаряет заготовку и всё, с чем соприкасается, включая диэлектрик. Вокруг искры образуется оболочка из испарённых газов, которая быстро раздувается в газовый пузырь. В среднем положении напряжение и ток начинают выравниваться — кратер на заготовке и газовый пузырь растут, повреждённый диэлектрик загрязняется, его удельное сопротивление повышается. Крайнее правое положение: диэлектрик загрязнён настолько, что стабильная обработка невозможна. Если ничего не изменить, произойдёт разрушительная дуга или обрыв проволоки.
Необходимое изменение — отключение тока и переход в фазу паузы. Источник тепла исчезает: газовый пузырь схлопывается, и при отдаче горячий повреждённый диэлектрик выбрасывается из зоны разряда, способствуя промывке. На двух последних рисунках виден кратер, но в фазе паузы обработка не ведётся — это время отведено на промывку и реионизацию диэлектрика перед следующим циклом.
Это был беглый проход по одному циклу — ровно столько, чтобы увидеть картину целиком. Дальше разберём её по частям, и начнём с того, без чего ничего из описанного не происходит: с диэлектрика.