Электроэрозионные станки с ЧПУ

Электроэрозионные станки

Типы электроэрозионных станков

Электроэрозионная обработка — изменение формы, размеров, шероховатости и свойств поверхности электропроводной заготовки под действием электрических разрядов, возникающих между заготовкой и электродом-инструментом в среде жидкого диэлектрика.

Электроэрозия — ключевая технология в производстве высокопроизводительных пресс-форм используемых для получения изделий из пластмасс, стекла и металла и при непосредственной обработке высокоточных компонентов.

Электроэрозионные станки используются в аэрокосмической и автомобильной промышленностях, в приборостроении и медицине, в производстве часов и ювелирных изделий. Электроэрозия применяется при обработке токопроводящих материалов (стали, титана, твердого сплава, поликристаллического алмаза и т.д.).

Швейцарская компания GF AgieCharmilles использует знания и опыт двух старейших фирм, которые стояли у истоков создания электроэрозионных станков промышленного уровня и предлагает линейку электроэрозионных станков AgieCharmilles : прошивных, проволочно-вырезных, супердрелей. Технические характеристики электроэрозионных станков AgieCharmilles и широта типоразмеров —гарантия решения производственных задач любой сложности.

Точность электроэрозионных станков AgieCharmilles достигает десятых долей микрона, а шероховатость поверхности Ra 30 нм.

Подбор станка по параметрам

Фильтры для подбора электроэрозионных станков по параметрам

Тип станка:
Шероховатость Ra (мкм):
0.03 0.05 0.08 0.1 0.2
Точность (мкм):
± 0.5 ± 1.0 ± 1.5 ± 2.0± 5.0
Ход по оси X (мм): 200 1250
Ход по оси Y (мм): 150 850
Ход по оси Z (мм): 100 800

Электроэрозионные станки с ЧПУ AgieCharmilles

Электроэрозионная обработка

Открытие электроэрозии

Супруги Лазаренко Б.Р. и Н.И.
Лазаренко Б.Р. и Н.И.

В конце 30-х годов прошлого века русские ученые Б.Р. и Н.И. Лазаренко провели исследования работы контактов релейных систем, которые коммутируют цепь постоянного тока.

В частности была изучена работа контактов в жидких средах. Один из выводов этого исследования изложен следующим образом: металлы, сплавы или токопроводящие композиции, помещеные в жидкую среду и являясь электродами настроенного колебательного контура, будут раздробляться в порошок. Это заключение послужило основой для разработки электроэрозионного способа получения порошков металлов и сплавов.[1]

Следующий этап — теоретические основы принципов электроэрозионной прошивной обработки:

  • описание работы колебательного контура способного одинаково легко получать серию режимов обработки от обдирочного до полировочного включительно;
  • использование в качестве жидкой среды масляного диэлектрика;
  • использования для питания колебательного контура как постоянный, так и переменный ток;

Принцип действия генератора разрядов, именуемого цепью Лазаренко, использовался в конструкции генераторов электроэрозионных станков на протяжении многих лет. В усовершенствованной форме этот тип генератора до сих пор находит применение в некоторых областях.

«Многовековое царствование механического способа обработки металлов, перевернувшего мир в прошлых столетиях, — кончается. Его место занимает, более высокоорганизованный процесс, когда обработка металла производится электрическими силами.»

Б.Р. Лазаренко, 1947

03.04.1943 супруги Лазаренко получают авторское свидетельство СССР № 70010 на изобретение «Способ обработки металлов, сплавов и других токопроводящих материалов».
12.08.1945 выходит постановление Совнаркома № 12498 о патентовании способа за границей.

Принцип электроэрозии

Тепловая модель

Модель процесса электроэрозионной обработки с точки зрения теплообмена, разработана в конце 80-х и начале 90-х годов в Техасском университете (Texas A&M University) при поддержке AGIE. Результатом стали три научные работы: первые две представляют тепловую модель удаления материала на катоде и аноде[2][3], а третья описывает формирования плазменного канала при прохождении тока через диэлектрическую жидкость[4]. Валидация этих моделей подтверждается экспериментальными данными, предоставленными AGIE.

Численное решение модели дает радиус, температуру, давление и массу плазмы как функцию времени импульса для фиксированного тока, зазора электрода и доли мощности, остающейся в плазме. Умеренно высокие температуры (~ 5000 К) и давления (~ 4 бар) сохраняются даже после длительных импульсов (до ~ 500 мкс). Таким образом, впервые представлено количественное доказательство того, что нагрев является доминирующим механизмом удаления материала электроэрозионной обработкой.

Основные принципы тепловой модели электроэрозии:

  • Для генерации искрового разряда между электродом и заготовкой разница потенциалов между ними должна быть не ниже, чем напряжение пробоя межэлектродного зазора. На напряжение пробоя влияют следующие факторы: 
    • расстояние между электродом-инструментом и обрабатываемой заготовкой;
    • электрическое сопротивление рабочей жидкости;
    • степень загрязнения зазора;
  • В начале процесса создается сильное электрическое поле, в результате чего в точке кратчайшего расстояния между электродом-инструментом и обрабатываемой заготовкой возникает максимальная концентрация положительных и отрицательных ионов.
  • Под действием электрического поля электроны и свободные положительные ионы ускоряются и формируют ионизованный канал, проводящий электричество.
  • Mежду «электродами» (инструментом и заготовкой) возникает искровой разряд, вызывающий бесконечное число столкновений между частицами. Формируется зона плазмы, с температурой 8 000º — 12 000º C, что обуславливает мгновенное локальное расплавление некоторого количества материала с поверхности обоих электродов. Одновременно, газообразные продукты пиролиза рабочей жидкости образуют пузырь, давление внутри которого возрастает до очень высоких значений.
    При отсечке тока, резкое понижение температуры ведет к схлопыванию пузыря и образованию динамических сил, под действием которых расплавленный материал выбрасывается из воронки.

Термоэлектрическая модель

В электроэрозионной обработке плавление основная причина удаления металла. Однако для импульсов длительностью менее 5 мкс тепловая модель перестаёт работать. При коротких импульсах металл не получает достаточно энергии для адекватного нагрева и плавления не происходит.

Главным фактором удалении металла в этом случае становится электростатическая сила, действующая на поверхность электродов. Однако её влияние сходит на нет при увеличении длины импульсов до 100 мкс .

Термоэлектрическая модель удаления материала при электроэрозионной обработке предложена в 1999 году A. Сингхом и А. Гхошом[5]. В предложенной модели оценены электростатическая сила, действующая на поверхность металла и распределение напряжений внутри металла, вызванное этой электростатической силой. Также было обнаружено изменение предела текучести с глубиной внутри металла и рассчитана «глубина кратера».

История развития

Пионеры прокладывают новые пути, строят мосты, расчищают препятствия и верят в свои силы. Так ответил на вопрос об инновациях швейцарский инженер-механик GF AgieCharmilles. Компании, которая может с гордостью оглянуться на длинный ряд технических поисков и свершений и продолжить свой путь в будущее.

50-е. Зажигание. Старт

Первый серийный прошивной станок Eleroda D1
Производство Eleroda D1

В 1952 году убедившись в перспективе промышленного использования, команда инженеров-энтузиастов из «Ateliers des Charmilles» приступила к разработке электроэрозионного станка. В 1954 году женевская компания представила прошивной станок Eleroda D1 удивленной публике на выставке EMO в Милане.

В том же году в Базеле была основана Agie (Акционерное общество промышленной электроники) для разработки и сборки электроэрозионных станков в лаборатории в Муральто в кантоне Тичино. Вскоре компания представила прошивной электроэрозионный станок с пневматическим сервоприводом оси Z.

Используя в разработках новые технические решения, компания Charmilles выпустила в 1959 году свой первый полностью транзисторный генератор электрических импульсов (ELP)

Так началась история успеха

Прошивка получает собрата в 60-х.

Электроэрозионный проволочно-вырезной станокс ЧПУ Agiecut DEM 15
Agiecut DEM 15

Важным событием 60-х стало появление генератора Isopulse. Это первый шаг в направлении уменьшения износа электродов и, таким образом, снижения производственных затрат. Абсолютно первым в мире в этом десятилетии стал электроэрозионный проволочно-вырезной станок с ЧПУ.

В 1969 году AGIE вывела на рынок Agiecut DEM 15. Первоначальный ход по осям был 150×150 мм на этом этапе никто не предполагал, что кто-то захочет обрабатывать большие детали на таком станке[6].

Если в разработке генератора AGIE накопила к тому времени достаточный опыт, то система управление была для неё значительной проблемой. В этой области у AGIE не было ни опыта, ни разработчиков.

Числовое управление было в зачаточном состоянии и не было готовых решений которые можно было бы использовать. NC-блок разрабатывался при поддержке технического университета Ганновера (Германия). Команде Герберта Руссбюльта (Herbert Russbült) и Фолькера Сура (Volker Suhr) удалось создать контролер заложивший основы программного управления проволочно-вырезных станков.

Первым оператором был Готлиб Веттштайн (Gottlieb Wettstein) — сервис-инженер, приглашенный для проведения первых испытаний.

Появление на рынке проволочно-вырезного станка с ЧПУ стало революцией, заставив других производителей переосмыслить способы использования электроэрозионных станков. Отрыв AGIE был столь значительным, что конкуренты смогли выпустить проволочно-вырезной станок с ЧПУ только спустя годы.

Вместе копировально-прошивные и проволочно-вырезные эрозионные станки начали триумфальное продвижение в производственные цеха.

Постоянные улучшения характеризуют 70-е годы

AgieCUT угловая обработка без изгиба проволоки
AgieCUT угловая обработка без изгиба проволоки

В 1973 году генераторы второго поколения позволили Agie и Charmilles добавить 3D в проволочно-вырезную обработку.

Стало возможным получать не только цилиндрические, но и конические формы, и это благодаря коаксиальной промывке, которая следовала за направлением и наклоном проволоки, таким образом обеспечивая оптимальное удаление материала.

Угловая обработка происходила за счет наклона головы. Проволока не изгибалась на направляющих и можно было использовать жесткую проволоку в диапазоне углов ± 30°.

Коаксиальная промывка позволяла заправлять проволоку в наклонные стартовые отверстия. Такая конструкция требовала филигранного исполнения. Самое время вспомнить качество швейцарской механики.

В прошивной электроэрозии в 1974 году также была мировая премьера — планетарно-круговыми движения, которые формировали острые внутренние края и поднутрения.

Усовершенствования, революционные в то время, теперь используются в каждом копировально-прошивном электроэрозионном станке.

Прогресс не останавливается в 80-х

Практически стандартный в наше время, используемый большинством производителей, метод термической обрезки проволоки был предложен Charmilles в 1985 году.

Цены на медь росли, поэтому использование другого материала электродов для прошивных станков было вопросом времени. Решение было найдено в 1987 году путем создания новых технологий, которые позволяли использовать графитовые электроды. При этом выросла производительность и улучшилось качество поверхности.

Установка на копировальной-прошивные станки автоматических сменщиков электродов открыла путь к автоматизации в 1980-х годах.

В 1983 году Charmilles переходит в промышленную группу Georg Fischer (GF). В 1989 году GF приобрела контрольный пакет акций AGIE, и две компании образуют группу GF AgieCharmilles (GFAC) в рамках промышленной группы, мирового лидера в производстве электроэрозионных станков.

90-е годы — все о производительности

В 1993 году искусственный интеллект с нечеткой логикой(fuzzy control) пришел в управление процессом эрозии прошивных станков. Система применяла гибкие правила и, таким образом, оптимизировала режимы обработки.

Charmilles представляет первый в мире промышленный электроэрозионный обрабатывающий центр QCR. Автоматическая загрузка и выгрузка заготовок и электродов резко увеличивает производительность станка.

Новое тысячелетие начинается со множества новинок

В 2001 году выпущены новые топ-модели. Проволочно-вырезные станки Charmilles Robofil 2050 TW и 6050 TW оснащены двойным проволочным трактом, это позволяет автоматически выполнять обработку двумя типами проволоки в одной программе. Аналогичной технологией появилась у Agie в станках Vertex.

В 2003 году проволочно-вырезной станок Progress ставит мировой рекорд производительности — 500 мм2 / мин.

Новые модели копировально-прошивных станков FORM 2000 и Hyperspark оснащены технологиями iQ, которые практически исключают износ электрода.

Новаторские достижения продолжаются по сегодняшний день

Новая стратегия орбитальной обработки прошивных станков позволяет достигать шероховатости поверхности с 26 нанометрами (Ra 0,026 мкм).

Еще в 2010 году AgieCharmilles демонстрировала свой Integrated Vision Unit (IVU), оптический измерительный модуль, встроенный в проволочно-вырезной станок, который измерять детали непосредственно на станке. Он может не только измерить обработанный профиль и сравнить его с моделью, но и внести изменения в управляющую программу для получения лучших результатов.

Новаторские достижения, которые пронизывают всю историю GF Agie-Charmilles, в большей степени соответствуют девизу компании «Достигни больше».

  1. Лазаренко, Б. Р. Электроэрозионный способ обработки металлов / Б. Р. Лазаренко. — Одесса : НТО МАШПРОМ, 1947.
  2. Dibitonto, D. D.; Eubank, P. T.; Patel, M. R.; Barrufet, M. A. (1989). "Theoretical models of the electrical discharge machining process. I. A simple cathode erosion model". Journal of Applied Physics. 66 (9): 4095. Bibcode:1989JAP....66.4095D doi:10.1063/1.343994.
  3. Patel, M. R.; Barrufet, M. A.; Eubank, P. T.; Dibitonto, D. D. (1989). "Theoretical models of the electrical discharge machining process. II. The anode erosion model". Journal of Applied Physics. 66 (9): 4104. Bibcode:1989JAP....66.4104P doi:10.1063/1.343995
  4. Eubank, P. T.; Patel, M. R.; Barrufet, M. A.; Bozkurt, B. (1993). "Theoretical models of the electrical discharge machining process. III. The variable mass, cylindrical plasma model". Journal of Applied Physics. 73 (11): 7900. Bibcode:1993JAP....73.7900E doi:10.1063/1.353942
  5. Singh, A.; Ghosh, A. (1999). "A thermo-electric model of material removal during electric discharge machining". International Journal of Machine Tools and Manufacture. 39 (4): 669. doi:10.1016/S0890-6955(98)00047-9
  6. Thomas Doerpinghaus The history of Wire EDM