Когда приходит время электроэрозионной обработки?

24 Августа 2012

«Электроэрозионная обработка могла бы стать синонимом понятию точная обработка тяжелообрабатываемых материалов. Потому что области, в которых наилучшим образом проявила себя электроэрозионная обработка, характеризуются максимально малыми допусками и ситуациями, когда вообще под большое сомнение ставятся другие традиционные методы обработки».

Область применения ЭЭО постоянно расширяется. Не стоит на месте и развитие традиционных методов резания металлов. Остается только определить, когда следует рассматривать ЭЭО в качестве альтернативы другим методам обработки.

Когда?
Для более пространного ответа на этот простой вопрос требуется особый анализ как геометрии резания, так и самих свойств материала заготовки. Стоит также вспомнить об альтернативном процессе механообработки: как, на чем и за сколько? Для простоты ответы на все эти вопросы структурированы по трем основным отличительным чертам процесса электроэрозионной обработки:

• никакого силового взаимодействия между заготовкой и инструментом;
• формообразование происходит за счет испарения металлических газов, а не механообработки;
• заготовка и инструмент не вращаются (за исключением высокоскоростного электроэрозионного сверления).

Учитывая, что процесс электроэрозионной обработки исключает непосредственный контакт инструмента и заготовки, он идеально подходит для обработки хрупких отливок и «тонких» деталей, которые не выдерживают самых малых сил резания. В качестве примера подобных деталей можно назвать ударники матричных принтеров, графитные электроды и множество сложных ячеистых деталей из металлов с особыми свойствами.
Шлифовальный инструмент, как и любой другой режущий инструмент, имеет определенные ограничения, когда дело доходит до обработки деталей с тонкими стенками. Электроэрозионная обработка, наоборот, идеально подходит для решения подобных задач, так как процесс обработки не предусматривает силового воздействия на заготовку, непосредственного контакта или деформации. В этой связи примечательно, что проволочной вырезке как раз по плечу образование тонких стенок шириной всего 0,1 мм. Прошивные станки позволяют получать стенки толщиной 0,05 мм. А в случае прошивки отверстий очень малого радиуса удается получать стенки толщиной всего 0,005 мм. В качестве примеров тонкостенных изделий можно привести хирургические инструменты, микроволновые излучатели и сложные конструктивные элементы космических спутников.
А что говорить, когда требуется изготовить детали, которые имеют полости с большим отношением глубины к ширине (например, шлицы, ребра и т. д.). С учетом того, что в процессе электроэрозионной обработки не используются ни момент, ни силовое воздействие приводов, с помощью очень длинных электродов можно делать ребра весьма витиеватой формы. Проволочная вырезка и копировальная прошивка используются для изготовления хомутов, цанговых патронов, полостей турбин, ребер охлаждения формовочного инструмента, а также силовых ребер.
В случае со сложными глухими отверстиями традиционный режущий инструмент не способен добраться до глубоких участков с приложением необходимой силы резания.
Кроме того, процессу электроэрозионной обработки отдается предпочтение при работе с труднообрабатываемыми материалами, пришедшими из космических технологий, — инструмент не контактирует непосредственно с заготовкой — не происходит адгезии металла и инструмента. Это позволило изготавливать такие сложные изделия, как наводящие головки баллистических ракет, искусственные суставы, турбинные лопатки и сложные детали для опытных образцов двигателей внутреннего сгорания.

Испарительный процесс
В процессе электроэрозионной обработки не принимается в расчет твердость материала, что делает его идеальным для обработки токопроводящих материалов твердостью выше 38 HRC, включая закаленную сталь, стеллит и карбид вольфрама. Ведь в процессе электроэрозионной обработки материал не режется, а испаряется. Поэтому методы электроэрозионной резки и прошивки используются для изготовления сложных штампов и другого кузнечно-прессового инструмента из сверхтвердых материалов.
Не стоит забывать про заусенцы и задиры, которые образуются на кромках деталей при металлорежущей обработке. После электроэрозионной обработки их попросту не остается, так как металл испаряется и тут же смывается диэлектриком. Благодаря этой особенности нет необходимости в дополнительных операциях по зачистке заусенцев, сопровождающихся уходом размеров.
Термическая обработка после процесса традиционной механообработки может привести к ухудшению точностных показателей, что полностью исключается при электроэрозионной обработке, которую можно вести после упрочнения структуры материала термической обработкой.

Отсутствие вращательных движений
Другая область, где электроэрозионная обработка доказывает свое превосходство — обработка углов с минимальным радиусом скругления. Традиционная механообработка начинает сдавать свои позиции при образовании пазов с радиусами углов менее 0,8 мм. Внутренний радиус электроэрозионной резки (и прошивки) так же мал, как искровой промежуток вместе с радиусом самой вырезной проволоки или угла прошивного электрода.
При фрезеровании или токарной обработке инструмент и заготовка находятся в относительном поступательно-вращательном движении. Самый малый радиус, достигаемый при этих методах механообработки, соответствует радиусу режущей кромки инструмента. В противоположность им, электроэрозионный инструмент не вращается и не оказывает силового воздействия на заготовку, следовательно, можно использовать миниатюрный и длинный инструмент. Минимальный диаметр проволоки вырезного станка составляет 0,03 мм, тем самым противостоя минимальному диаметру скругления углов при фрезерной обработке в 2,5 мм.
По этой причине электроэрозионная обработка применяется для изготовления дросселей, деталей для принтеров, штампов пресс-форм, а также для восстановительного ремонта последних.

Низкая цена инструмента
Чтобы окончательно остановить свой выбор на традиционной механической или электроэрозионной обработке, необходимо проанализировать преимущества и недостатки применяемых специальных, уникальных и стандартных инструментов. Электроды легко обрабатываются в отличие от карбидов. Важно также, что вырезная проволока является стандартным инструментом, который поступает на производство «прямо с полки», что, естественно, предпочтительнее специализированного металлорежущего инструмента.
Кроме того, электроэрозионная обработка может стать очень хорошей альтернативой в инструментальном производстве при изготовлении мелкосерийных штампов (до 5000 штамповок) и протяжек (также для небольших объемов). По этой причине электроэрозионную обработку используют при производстве инструментов для резки пазов и зубцов у зубчатых колес. При использовании электроэрозионной обработки отпадает необходимость заготавливать комплекты штампов. Поэтому именно этот метод обработки широко применяется в производстве деталей для швейных машинок и их прототипов.

Ограничения применения электроэрозионной обработки
Не всегда электроэрозионная обработка становится альтернативой для традиционных методов механообработки. Вот часть ограничений, которые относятся к стандартному электроэрозионному оборудованию средней ценовой группы:

• ограничения максимальных размеров заготовки по осям для проволочной вырезки: по оси Y— 1480 мм, по оси Z — 500 мм, по оси X — ограничений нет. Для копировально-прошивных станков: Y— 1480 мм, по оси Z — 400 мм, по оси X — 2400 мм;
• максимально достижимый угол конусной вырезки при проволочной вырезке — 45 градусов, хотя некоторые пользователи декларируют достижение больших углов, превышающих 50 градусов;
• максимальный угол резки с учетом высоты — 30 градусов для 400 мм;
• максимальное удельное электрическое сопротивление заготовок и крепежа — 0,5-5 Ω на сантиметр (для вырезных и прошивных станков);
• точность станков ограничивается порогом в 0,002 мм (для вырезных и прошивных станков);
• чистота обработки поверхности — Ra = 0,1 µм (для вырезных станков), Ra = 0,05 µм (для прошивных станков);
• непрерывность поверхностного слоя: толщина переплавленного слоя — 0,005 мм (для вырезки и прошивки), протяженность микротрещин — 0,005 мм (для вырезки и прошивки). Результат может быть хуже или лучше по сравнению со шлифованной поверхностью.

Минимальные параметры элементов,
достигаемые при электроэрозионной обработке

Параметры	Проволочная вырезка	Прошивка
Внутренний радиус, мм	0,2	0,02
Внешний радиус	острый	острый
Диаметр отверстий, мм	0,04	0,015
Ширина паза, мм	0,04	0,01

Качество поверхности в зависимости от тока разряда
Более шероховатая поверхность доводится электроэрозионной обработкой до более гладкой путем снижения токов разрядов. Шероховатость уменьшается, что, однако, сопровождается некоторым ускорением износа инструмента. В производственной практике при черновой и получистовой обработке обычно стараются достичь достаточной степени чистоты поверхности для того, чтобы на последующих стадиях обработки получить желаемые показатели шероховатости. Опыт показал, что при последующем этапе обработки вполне достаточно обеспечить шероховатость поверхности в 3-5 раз лучше по сравнению с предшествующим этапом. Такой подход позволяет добиться очень высокой экономии в общем времени электроэрозионной обработки и при этом достичь хороших показателей качества.

Евгений Дряхлов
Журнал «Оборудование: рынок, предложение, цены», № 05, май 2003 г.