Типы электроэрозионных станков и обработка металла

Преимущества и недостатки электроэрозионной обработки металла

Одним из вариантом зачистки металлов является электроэрозионная обработка. Принцип работы технологии прост. К заготовке и электроду подключается источник постоянного тока, который генерирует кратковременные импульсы, проходящие через электроды. Электричество в активной зоне создает электронную дугу, которая легко прожигает металлическую поверхность. Дуга живет небольшой период во времени, поэтому она не деформирует металл, не оставляет следов, сохраняет целостность электрода.

Электроэрозионная обработка металлов обычно выполняется с помощью специальных станков, которые обладают множеством преимуществ — высокая мощность, универсальность, простота использования. Но как происходит такая обработка металлов? В каких режимах работы могут функционировать эрозионные станки? И о чем нужно знать при их выборе? В статье эти вопросы будут рассмотрены.

Физические и химические основы электроэрозии

Электроэрозионная обработка (ЭЭО) — это технология, которая позволяет разрушать поверхность металлических изделий с помощью электрических разрядов. Явление электрической эрозии основано на разрушении электродов под действием электрического тока, пропускаемого через электроды. Технология была изобретена советскими инженерами и учеными Б. Лазаренко и Н. Лазаренко в 1943 году.

Технология электроэрозии позволяет изменить размеры, форму металлических деталей — ее можно использовать для создания отверстий, для шлифовки, для обработки фасонных полостей, для создания углублений и так далее. Технология является очень точной и надежной, что позволяет использовать для высокоточной обработки металлов.

На физическом уровне ЭЭО выглядит так:

1. Для электрической эрозии применяются станки, которые имеет приблизительно одинаковую конструкцию. Главным их элементом является обрабатывающий инструмент-электрод, который выступает в роли резака. Вторым важным элементом является сама обрабатываемая деталь. Третий элемент — источник постоянного тока, к которому подключаются электрод и обрабатываемая деталь.
2. Чтобы избежать перегрева деталей, обработка выполняется в жидкой среде. В качестве жидкости выступают диэлектрики, которые плохо проводят ток (керосин, минеральное масло). Для удобства работы станок может оборудоваться дополнительными деталями (реостаты, конденсаторы и другие). Большинство современных станков также оборудованы электронной панелью управления.
3. Установка может работать в двух режимах — электроискровой и электроимпульсный. В случае электроискрового режима ток подается таким образом, что электрод выступает в роли минус-катода, а сама деталь — плюс-анода. Во время работы электрод генерирует электрическую дугу, которая ионизирует поверхность металлической заготовки. Ионы имеют очень высокую температуру, что приводит к расплавлению металла с образованием небольшой лунки. Чтобы не расплавить электрод-катод, электричество подается короткими импульсами. Длительность подачи электричества для генерации 1 импульса — 0,001 секунд. Во время электроискровой обработки срезается небольшое количество металла, поэтому эту технологию используют для финальной обработки заготовки.
4. В случае электроимпульсного режима работы меняется электрическая полярность. На электрод подается положительный ток, а на деталь — отрицательный. Это также приводит к образованию ионизированной плазмы, которая прожигает металл с образованием лунки-углубления. Однако из-за особенностей кристаллической решетки металлов генерируется более мощный поток ионов, поэтому электроимпульсный режим мощнее электроискрового в 10-11 раз. Чтобы защитить электрод от расплавления, ток подается небольшими порциями, где длительность подачи 1 импульса составляет 0,001 секунд. Электроимпульсный режим из-за повышенной мощности используется для черновой обработки, а также для резки сверхпрочных металлических сплавов.

Частички металла, которые срезаются ионным потоком, попадают в жидкость-диэлектрик. Они не растворяются, а находятся в диэлектрике в виде мелкой взвеси. Сперва частички обладают очень высокой температурой, однако при контакте с жидкостью они быстро остывают, достигая температуры окружающей среды. После проведения работ не рекомендуется использовать «раствор» по прямому назначению, поскольку металлическая взвесь может ухудшать технические свойства эксплуатируемого прибора.

Электроэрозионная обработка металлов

Электроэрозионная обработка подходит для обработки любых металлов и их сплавов (чугун, сталь, латунь, алюминий и так далее). Температура ионизированной плазмы является очень высокой (более 10 тысяч градусов), что делает возможной работу со всеми видами металлов. Плазма обладает коротким периодом жизни, поэтому она не повреждает металлическую деталь, а контролировать мощность ионного потока не слишком сложно. Технология востребована в высокоточных отраслях промышленности; в мелкосерийном и домашнем производстве станки для ЭЭО используются редко в связи с их высокой стоимостью.

На практике технология ЭЭО обычно применяется для обработки сложных фасадных конструкций, а также при работе со сверхпрочными деталями для самолетов, автомобилей, кораблей, электронных устройств. В случае правильного использования оборудования не возникают микротрещины и микроповреждении металлической заготовки, что положительно сказывается на качестве обработки. Для создания электрода используются графит, вольфрам, алюминий или латунь. Эти материалы не разрушаются при контакте с нагретой плазмой, сохраняют свою форму. ЭЭО позволяет изменить форму, размеры, шероховатость исходной детали.

Преимущества

У технологии ЭЭО есть как преимущества, так и недостатки. Рассмотрим сперва преимущества технологии ЭЭО:

• Универсальность (для металлов). Поток разогретой плазмы обладает очень высокой температурой, а с его помощью можно прожечь любой металлический сплав. С помощью разогретой плазмы можно создать отверстие, разрезать деталь, выполнить высокоточную шлифовку, создать углубление. Это делает ЭЭО-станки универсальными, удобными в использовании.
• Высокое качество резки. Толщина ионизированной плазмы составляет менее 1 миллиметра, поэтому с ее помощью можно делать точную обработку металлических деталей. Разогретая плазма быстро остывает, поэтому края заготовки остаются ровными, прочными, без расплавленных частей. Электрическая дуга не испаряет раствор-диэлектрик, поэтому защитную жидкость можно использовать долгое время (потери жидкости от испарения составляют менее 0,1%).
• Простота применения. ЭЭО-станки просты в использовании, не нуждаются в особом уходе. Почти все модели оборудованы электронной панелью, которая позволяет контролировать режим работы (мощность разряда, длительность импульса, глубина подачи плазмы и другие). Во время работы не образуются вредоносные испарения и газы, поэтому рабочему не нужно носить защитную одежду.
• Несколько режимов работы. Основные режимы — электроискровой и электроимпульсный. Первая методика применяется для разрезания детали, вторая используется для полировки, выравнивания поверхности. Также существуют вспомогательные методы обработки материалов — эрозионно-химическая технология, проволочная, анодно-механическая, электроконтактная и другие.

Недостатки

• Нельзя обрабатывать диэлектрические материалы. Электрическая дуга, которая создает высокотемпературную плазму, возникает за счет контакта электрода с металлической поверхности обрабатываемой деталью. Если деталь будет выполнена из диэлектрического материала (дерево, бетон, пластик), то в таком случае режущая дуга не возникнет, а станок будет бесполезен.
• Высокое электропотребление. Для работы ЭЭО-станка требуется большое количество электроэнергии, что увеличивает себестоимость обработки. Во время работы станка должны поддерживаться постоянные параметры электрического тока (напряжение, мощность, сила). Поэтому многие установки оборудуются защитным оборудованием, позволяющего изменить параметры станка в случае скачка напряжения.
• Низкая производительность. Большинство моделей станков проводят резку с небольшой скоростью (от 0,1 до 7-8 миллиметров в секунду в зависимости от способа обработки металла). Поэтому ЭЭО-станки не подходят для фабрик с большой производственной загруженностью.
• Высокая стоимость. ЭЭО-оборудование стоит достаточно дорого, что снижает его универсальность и доступность. Большинство станков производятся иностранными компаниями (Япония, Германия, Польша), что также негативно влияет на ценообразование. Помимо этого придется оплачивать вспомогательные расходы — на покупку защитной жидкости, на замену отработанных электродов, на потребление электричества и другие.

Способы обработки

Перечислим основные способы электроэрозионной обработки:

• Создание отверстий. Пучок плазмы позволяет создать очень глубокие отверстия в металлической поверхности (от 20 до 40 диаметров в зависимости от типа электрода). Увеличить глубину отверстия можно за счет кручения детали, перемещения электрода, использования нестандартного вспомогательного оборудования. Средняя скорость сверления составляет 0,1-1 миллиметр в секунду.
• Резка металлические объектов. С помощью плазменного пучка можно разрезать заготовку на любое количество частей. Глубина резки практически не имеет ограничений по глубине — стандартная глубина составляет 20-40 диаметров, однако ее можно увеличить за счет применения нестандартных электродов и вращения заготовки. Средняя скорость резки — 0,1-0,5 миллиметров в секунду.
• Вырезание деталей. С помощью технологии ЭЭО можно вырезать объекты любой формы. Эта технология широко применяется для резки драгоценных камней для создания необычных украшений. Также ее применяют для производства фасонных резцов, матриц, пуансонов и других объектов.
• Шлифование, легирование. Технологию ЭЭО можно выполнять для выравнивания шероховатых поверхностей, а также для устранения внешних дефектов. Шлифовка выполняется точечным методом с помощью электрода, поэтому ЭЭО-легирование не рекомендуется использовать для работы с большими поверхностями. Однако эта технология может применяться для работы с деталями сложной формы, для устранения дефектов на поверхности магнитных сплавов. Средняя скорость шлифовки — 4-5 квадратных миллиметров в секунду.

ЭЭО-технику можно также применять для маркирования металлов и создание надписей на их поверхности. Для маркировки могут использоваться любые символы — буквы, цифры, специальные обозначения. Де-факто маркировка представляет собой создание несквозных отверстий, а нанести код можно на любой участок металлической детали. Средняя производительность ЭЭО-оборудования составляет 4-10 миллиметров в секунду, что является хорошим показателем для техники такого класса.

Станки для электроэрозии металлов

Перечислим основные модели станков, которые представлены в России:

• INTEGRAL 2 (AGIE). Производится одноименной швейцарской компанией. Позволяет работать с деталями размером не более 80 х 60 х 25 сантиметров. Основной режим работы — электроискровая эрозия в защитной среде диэлектрической жидкости. Имеет встроенную панель ЧПУ, которая позволяет контролировать технологические особенности операции (мощность ионного потока, точность обработки, итоговый уровень шероховатости).
• AQ535 (SODICK). Производится японской компанией. Позволяет обрабатывать заготовки, размеры которых составляют не более 105 x 65 x 30 сантиметров. Электроэрозионная обработка выполняется с помощью режущей проволоки, которая может делать все основные операции (создание отверстий, маркировка, шлифовка, вырезание). Модель оснащена продвинутой ЧПУ-панелью и имеет встроенную систему, экономящую электричество, что снижает себестоимость обработки.
• Модель 4531. Производилась в СССР; новые станки 4531 больше не выпускаются. Однако в продаже можно встретить множество неиспользованных моделей, а также станков Б/У. Для работы применяется электроискровая обработка металлических заготовок. Максимальные габариты обрабатываемых деталей — 16 x 12 x 3 сантиметра. Управление осуществляется в основном механическим способом + есть несколько информационных панелей, позволяющих узнать технологические особенности процедуры.

Заключение

Технология позволяет резать металлы любой прочности. Обработка выполняется за счет создания ионизированного потока частиц, которые прожигают металл. Разогретые ионы создаются с помощью электрической дуги, которая возникает между проводящим электродом и металлической поверхностью обрабатываемой детали при прохождении между ними электрического тока. Чтобы не повредить деталь и не испарить электрод, используется защитная жидкость-диэлектрик, а электрический ток подается небольшими порциями-импульсами (частота — 0,001 с).

ЭЭО-станки выполняют все основные операции — создание отверстий, резка, нанесение маркировки. Электроэрозионная обработка металла обладает множеством преимуществ — высокая точность, универсальность (для металлов), простота применения станков. Однако есть и недостатки — нельзя резать пластик, бетон или дерево, большое потребление электричества, высокая стоимость станка. Использовать ЭЭО-станки рекомендуется для производства высокоточных деталей. Основные модели станков — AGIE INTEGRAL 2, модель 4531, SODICK AQ535.

Используемая литература и источники:

• Электрофизические и электрохимические методы обработки / Юдин Д.Л. // Экслибрис — Яя. — М. : Советская энциклопедия, 1978.
• Немилов Е.Ф. Электроэрозионная обработка материалов. — Л.: Машиностроение, 1983.
• Ставицкий Б.И. Из истории электроискровой обработки материалов // Оборудование и инструмент для профессионалов. Металлообработка. — 2006.
• Статья на Википедии

Электроэрозионные станки и принцип работы

Современные устройства, машины, приборы и механизмы состоят из более сложных деталей, если сравнивать их с устройствами, которые выходили ранее. На данном этапе технического прогресса от устройств требуется выполнение больших объёмов работы. Люди склонны всё механизировать для того, чтобы упрощать свою повседневную жизнь, а также для достижения новых результатов в исследованиях или в таких областях, как строительство, промышленность и так далее. Вместе со сложностью деталей соответственно усложнилась их обработка.

Для обрабатывания деталей используют различные устройства. Они различаются и принципом работы, и назначением, и в других аспектах. Но огромное количество специалистов подчёркивает преимущество использования электроэрозионных станков, которые предназначены для обработки различных деталей, причём с весьма убедительными результатами и показателями.

Если вам нужно купить электроэрозионный станок, рекомендуем обратиться за консультацией в компанию Доминик. Компания специализируется на поставках и обслуживании электроэрозионных станков в России и имеет большой опыт работы с предлагаемым оборудованием. Много станков в наличии, ознакомиться со станками можно на площадках компании в Москве и Челябинске. Специалисты компании осуществляют доставку и запуск оборудования, проводят обучение персонала, осуществляют гарантийное и постгарнтийное обслуживание, оказывают техническую поддержку.

Ассортимент компании представлен на странице ‘Электроэрозионные станки’. Вы можете сразу перейти в нужный вам раздел и ознакомиться с характеристиками:

• DK77 электроэрозионные проволочно-вырезные станки;
• SCT высокоточные электроэрозионные проволочно-вырезные станки с сервоприводом;
• HQ703 электроэрозионные сверлильные станки супердрели;
• Электроэрозионные прошивные станки с одной управляемой осью Z.

Назначение электроэрозионных станков

Электроэрозионные станки применяются для вырезания различных заготовок, имеющих самую разную форму и размеры. Обработка происходит либо под прямым углом, либо под углом от 1 до 30 градусов. Угол, под которым производится обработка заготовок, зависит прежде всего от комплектации станка. Начало реза может происходить от кромки заготовки, а также и изнутри её через отверстие, которые предварительно просверлено. Электроэрозионные станки предназначаются для производства деталей с точностью до 0,015 миллиметра.

Основным предназначением электроэрозионных станков считается замена штамповки. Станки такого типа могут вырезать сразу несколько заготовок, благодаря возможности пакетной обработки. При этом не требуется последующая фрезеровка детали, так как при обработке не происходит поверхностной деформации обрабатываемой заготовки.

Также станок позволяет производить различные матрицы и шаблоны. Одним из его больших преимуществ является то, что он может быть легко и быстро перенастроен. В принципе, вся перенастройка электроэрозионного станка заключается в выполнении нескольких операций: сначала нужно загрузить из AUTOCAD требуемый чертёж, затем произвести несколько действий уже на компьютере, после чего настроить генератор и уже после этого можно начинать обработку следующей заготовки. Опытные операторы тратят на настройку устройства в среднем всего 15 минут.

Конструкция электроэрозионного станка

Станки такого типа состоят из следующих узлов:

1. Защитный щиток барабана.
2. Барабан проволочный.
3. Подвижный стол проволочного барабана.
4. Концевики-ограничители для настройки использования намотанной проволоки на барабане, а также кнопки для переключения направления вращения.
5. Регулировка подачи СОЖ снизу и сверху.
6. Панель, предназначенная для управления устройством.
7. Шкаф электрооборудования устройства.
8. Конические опоры станка, настраиваемые по высоте.
9. Литая станина коробчатого типа, отлитая из чугуна.
10. Проушины монтажные.
11. Колесо, предназначенное для вертикальной подачи верхнего рукава.
12. Колонна.
13. Осветительная лампа.
14. Механизм, позволяющий осуществлять наклон проволоки.
15. Нижний рукав, состоящий из двух направляющих роликов и одного твердосплавного электрода.
16. Рабочий стол.
17. Кожух рабочего стола, защищающий от брызг.
18. Верхний рукав, состоящий из трёх направляющих роликов и двух твердосплавных электродов.
19. Колёса для подачи рабочего стола.

Далее будут рассмотрены более подробно несколько отдельных частей механизма электроэрозионных станков.

Станина станка

Данная деталь отливается из чугуна. В камере сняты внутренние напряжения. Внутреннее пространство станины предназначено для монтажа электрооборудования, так как сама станина имеет коробчатый тип. Рабочая часть станины в прецизионно отшабрена и отшлифована в некоторых местах, а именно: на каретке барабана, на креплениях колонны и на направляющих рабочего стола.

Рабочий стол станка

Это очень важная составляющая электроэрозионного станка. Состоит рабочий стол из двух плит, которые установлены на шарико-роликовые направляющие. Плиты устанавливают друг над другом.

Если существует потребность в перемещении стола, то нужно задействовать два шаговых двигателя. Делается это при помощи двух шарико-винтовых пар. Также можно менять положение рабочего стола вручную, при этом используя колесо подачи, которые закреплены всё на тех же валах шарико-винтовых пар.

Проволочный конвейер

Данная часть станка состоит из проволочного барабана, а также системы роликовых направляющих, которые размещены в нижнем и верхнем рукавах.

Управляющий компьютер и генератор могут быть размещены либо в стойке, либо в рабочем столе с тумбой. Отличия лишь в стоимости устройства, монолитности компоновки, а также в дизайне всего оборудования.

Принцип работы электроэрозионного станка

После того как выше были рассмотрены конструктивные аспекты существующих электроэрозионных станков, следует разобраться в принципе их работы. Нельзя не упомянуть, что процедуры обработки деталей, которые применяются на устройствах такого типа, позволяют достигать просто поразительных результатов.

Для начала пару слов о том, что такое электрическая эрозия, ведь как мог уже догадаться читатель из названия станка, именно эта реакция стоит в основе работы таких устройств.

Разрушение верхнего слоя поверхности материала под влиянием внешнего воздействия, осуществляемого электрическими разрядами, называется электрической эрозией. Именно этот процесс и стал основой для обработки различных материалов и деталей, который называется электроэрозионным.

Сама электроэрозионная обработка осуществляется путём изменения размеров, формы, шероховатости и свойств поверхности обрабатываемой заготовки под влиянием электрических разрядов в результате электрической эрозии, воздействующих на заготовку при обработке.

Из-за того, что в зоне разряда действуют весьма высокие температуры (8000 — 12000 градусов по Цельсию), металл подвергается следующим изменениям: нагрев, затем последующее расплавление и даже частичное испарение. Для того чтобы получить такие высокие температуры в зоне разряда, создаётся большая концентрация энергии, которая достигается благодаря генератору электрических импульсов. Сам процесс электроэрозионной обработки происходит в рабочей жидкости, а именно в дистиллированной воде. Она заполняет пространство между имеющимися электродами. Одним из этих электродов является сама заготовка, а вторым — электрод-инструмент (электрод трубчатый).

Под действием сил, которые возникают в канале разряда, а также благодаря тому, что электрод быстро вращается, происходит выброс уже жидкого и парообразного металла из зоны разряда в окружающую его рабочую жидкость, а затем его застывание в ней с образованием отдельных мелких частей. В заготовке, под действием импульса тока, образуется отверстие. Кроме этого, можно наблюдать угар электрода-инструмента, происходящий параллельно образованию отверстия.

Следует заметить, что электрод-инструмент обязательно должен быть изготовлен из материала с высокой эрозионной стойкостью. Такими материалами, которые обладают таким важным качеством и которые способны обеспечить стабильность протекания процесса электроэрозии, являются: вольфрам, графит, алюминий, латунь, медь и графитовые материалы. Обычно в таких станках используются медные или латунные трубчатые электроды.

Параметры, которые влияют на скорость и точность обработки

Для того чтобы ещё лучше разобраться в работе электроэрозионных станков и влиять на её качество, можно указать несколько важных параметров, которые напрямую влияют на точность и скорость процесса обработки:

• материал заготовки;
• материал, из которого изготовлен электрод-инструмент (медь или латунь);
• сопротивление диэлектрической жидкости;
• режимы обработки, а если быть точнее, то режимы работы генератора электрических импульсов станка;
• диаметр используемого трубчатого электрода, используемого как электрод-инструмент.

Кроме вышеназванных параметров можно назвать ещё один, который также может оказывать большое влияние на процесс электроэрозионной обработки. Этим параметром является положение универсального патрона для крепления электродов, а именно прямолинейность его нахождения относительно оси Х. Поэтому пользователю станка настоятельно рекомендуется осуществлять поверку патрона на регулярной основе.

Возможности электроэрозионного станка

После того, как были обговорены все тонкости процесса обработки на электроэрозионном станке, можно упомянуть о возможностях этого очень полезного устройства, со столь внушительным функционалом.

• способен производить обработку деталей из практически любого токопроводящего материала;
• довольно прост в использовании, что заключается в том, что требуемый режим работы станка может быть выбран из длинного списка имеющихся предустановленных режимов, путём выбора ввода его порядкового номера;
• очень прост в изменении режима обработки. Это является очень серьёзным достоинством электроэрозионного станка, так как режим обработки можно менять даже в процессе обработки;
• предоставляет возможность осуществлять быструю обработку, а также обработку с высокой точностью;
• позволяет сэкономить средства. Может это покажется и незначительным преимуществом таких станков, но не сказать о нём нельзя. Дело в том, что электроэрозионные станки используют в качестве диэлектрической жидкости дистиллированную воду, что значительно понижает стоимость эксплуатации станков такого типа. Так что, в отличие от других устройств, которые используют другие жидкости, электроэрозионные станки могут помочь своим пользователям экономить свои средства;
• предоставляет возможность обработки заготовок различных форм и размеров. Предполагается также обработка самых сложных заготовок различных конфигураций: спиралевидных, полых, сферических и так далее;
• обладает функцией памяти. Она заключается в том, что даже при внезапном отключении станка, не произойдёт сброс важных параметров режима и координат, так что после включения электроэрозионного станка можно будет спокойно продолжить работу.

Выводы

Электроэрозионные станки являются очень полезными устройствами, которые способны выполнять очень сложную работу. Огромное количество пользователей, которые проводят обработку различных материалов именно на станках такого типа, свидетельствуют в пользу такого оборудования, зарекомендовавшего себя с наилучшей стороны.

Целый ряд достоинств, а также нетипичный принцип работы, которые позволяет достигать выдающихся результатов при обработке различных заготовок, делают это обрабатывающее оборудование настоящим титаном среди устройств другого типа, но предназначенных также для обработки различных заготовок.

Простота эксплуатации электроэрозионных станков позволяет осуществлять на нём работу даже тем пользователям, которые ранее не имели опыта или определённых навыков работы с таки оборудованием.

Принцип работы электроэрозионных станков, заключающийся в использовании электрической эрозии для обработки заготовок, позволяет добиваться очень качественных результатов.

Выбираем электроэрозионный станок

Электроэрозия – разрушение металлических поверхностей под воздействием на них электрических зарядов. В основу этой технологии положены работы советских учёных Н. И. Лазаренко и Б. Р. Лазаренко. Этим методом можно легко изменять размеры изделий из металла, получать в них отверстия различной формы и глубины. Отличные результаты даёт электроэрозионная обработка профильных пазов и канавок, полостей фасонного вида в деталях машин и механизмов. Особенно сильно востребовано такое оборудование для изготовления деталей из твёрдых сплавов, где обычная механическая обработка затруднена.

Станки электроэрозионного типа обладают универсальными возможностями в обработке материалов, имеющих плотную структуру поверхностей. Этот вид обработки материалов выгодно отличается от других способов изменения формы и размеров деталей, так как трудоёмкость операций благодаря электроэрозионной технологии резко снижается.

Принцип работы электроэрозионного станка показан на приведенной схеме-рисунке. Под действием импульсного электрического генератора в зазоре между электродом и поверхностью детали образуются искровые разряды или иное электрическое взаимодействие. Пространство искрового промежутка непрерывно омывается потоком охлаждающей жидкости, за счёт которой происходит удаление с обрабатываемой поверхности разрушенного металла. Под управлением блока ЧПУ процесс протекает в заданном направлении и в требуемом количестве. В качестве электрода чаще всего используется латунная проволока, которая по мере расхода подаётся в зону электроэрозионной обработки. Более современный расходный материал для электроэрозии – молибденовая проволока, расход которой на осуществление обработки одной детали ничтожен. Однако эти станки имеют и существенные ограничения по сравнению с аппаратами для механической обработки деталей. Ведь они подходят для обработки лишь токопроводящих металлов и их сплавов.

Воздействовать на металл электроэрозионным путём можно различными способами: подавая на искровой промежуток как электрические разряды, так и импульсы параметрического вида. В зависимости от требуемого результата обработки выбирается и более подходящий путь её выполнения. Очень важным элементов этого воздействия на металлические поверхности является то, что при нём можно вести обработку заготовки по различным направлениям в одно и то же время.

Среди способов электроэрозионной обработки изделий различают:

• электроимпульсный;
• электроискровой;
• электроконтактный;
• анодномеханический.

К технологическим операциям, которые выполняются электроэрозионным путём, относятся:

• структурное упрочнение;
• шлифование;
• маркировка;
• резание;
• доводка;
• копирование объёмное;
• доводка.

С помощью электрической эрозии на этих станках можно выполнять различные глухие проёмы, углубления и отверстия не геометрической конфигурации. Возможно также выполнение на поверхности отверстий резьбы любого профиля. Станки способны производить выборку металла с внутренней поверхности изделий на заданную глубину, тем самым выполнять операции, заменяющие фрезерную и токарную обработки. Технология электрической эрозии используется при обработке металлов, которые трудно поддаются классическому механическому станочному воздействию. К ним, в частности, относятся титан и его сплавы.

Чтобы выбрать, какой купить электроэрозионный станок, нужно точно определиться с задачами, которые будут ставиться пред этим оборудованием на предприятии и какие рабочие параметры станка потребуются для решения этих задач. Вполне допустимо для выполнения определённых технологических операций в цехе купить б/у станок, предварительно проверив его работоспособность. Практика показывает, что даже при большом количестве часов наработки оборудование для электроэрозионной обработки почти не подвержено износу.

Станки электроэрозионного типа

Реализуемые в производстве способы электроэрозионной обработки могут сильно отличаться в зависимости от конструкции станков, но остаётся одним и тем же сам принцип функционирования оборудования. Рассмотрим основные типы электроэрозионных станков, используемых для обработки металлических заготовок.

Проволочно-вырезной станок

Это станочное оборудование используется в целях контурной обработки изделий с высокими точностными показателями и низкой шероховатостью поверхности. Воздействие на обрабатываемую деталь происходит электродом в виде проволоки из молибдена диаметром 0,18 мм. Затраты на работу этого оборудования довольно низкие, так как сама проволока используется много раз. Традиционный электроэрозионный проволочно-вырезной станок, который не может использовать проволоку многократно, существенно проигрывает в себестоимости аналогичных рабочих операций.

Роль электролита в рабочей зоне станка играет охлаждающая жидкость, потоком которой вымываются эрозионные продукты и которая защищает обработанную поверхность детали от окисления воздухом. В качестве СОЖ используется водорастворимый концентрат специального состава.

Цена электроэрозионного копировального станка не очень высока по сравнению с аналогичными аппаратами традиционного типа, зато обслуживание его очень удобно за счёт использования блока ЧПУ. Чтобы обучить оператора основным приёмам работы на нём, потребуется не более двух дней.

С помощью этого станка можно изготавливать:

• различные пресс-формы;
• штампы;
• зубчатые колёса;
• шлицевые отверстия;
• шпоночные пазы;
• выемки сложного профиля с глубиной до 20 см.

На рисунке выше показан высокоскоростной электроэрозионный вырезной станок с ЧПУ, который относится к струйному типу и применяется для контурной обработки деталей. Станки такого вида могут использоваться и в мастерских небольшого предприятия со штучным изготовлением изделий, и на крупных предприятиях в серийном производстве. Электроэрозионный проволочный станок DK 7720 в настоящее время можно купить за 850 тыс. рублей.

Прошивной станок

Электроэрозионный копировально-прошивной станок в современном исполнении оснащён блоком ЧПУ, в который встроены функции автоматического позиционирования, орбитальность движения деталей и возможность прожигания боковых поверхностей. Также станок оснащён функциями автоматического поиска кромки и поиска центральной точки зоны обработки. Наряду с этим в программах блока ЧПУ заложено определение глубины полости и автоматический выход инструментальной головки в нулевую точку.

Электроэрозионный прошивной станок предназначен для обработки как внутренних, так и наружных сферических элементов, работая по 3-мерной линейной траектории. Наряду с возможной обработкой поверхности по 2-х мерной дуге он может производить электроэрозионный прожиг, используя для обработки исходную матрицу изделия в качестве оригинала для копирования.

В настоящее время цена электроэрозионного станка этого типа колеблется около 1 млн. 800 тыс. рублей.

Станок электроэрозионный для резки металлов

Электроэрозионная резка проволокой применяется тогда, когда выполнить требуемый рез металлической детали или заготовки с помощью классической традиционной обработки невозможно, когда перед прочностью заготовки бессильны и фреза, и резец токарного станка. Механическая резка не выгодна или даже невозможна, когда требуется получение внутри или снаружи детали острых углов со сверхмалыми радиусами закруглений. Эта ситуация возникает при обработки деталей, подвергшихся закалке или твёрдосплавных металлических соединений. Иногда ещё к электроэрозионной резке металла прибегают, если из-за глубины или сложной структуры полости это выполнить механической простой операцией на фрезерном станке невозможно. Проволочно-вырезные станки дополняют набор операций при изготовлении сложных деталей современного машиностроения.

Электроэрозионная резка представляет собой интенсивную электроэрозию металла в нужном сечении детали. Высокочастотные импульсы, вырабатываемые генератором, поддаются на электрод, который представляет собой проволоку из молибдена. При работе генератора сама деталь перемещается в нужную сторону с помощью электрического привода направляющих станочной плиты. Выжигание металла происходит электрическими искрами, а затем разрушенный слой смывается охлаждающей жидкостью специального состава, непрерывно подаваемой в зону резки. Перемещение проволоки для электроэрозионных станков всегда происходит в направлении, перпендикулярном оси барабана смотки.

Можно выделить те технологические операции, где работа элктроэрозионных режущих станков выгодно отличается от механической обработки металлов:

• обработка сверхтвёрдых металлов и сплавов;
• выполнение вырезов в заготовках с угловыми острыми кромками, имеющими сверхмалые радиусы закруглений;
• обработка цилиндрических и фасонных поверхностей большой глубины;
• обработка поверхностей с очень высокой точностью.

Чтобы запрограммировать обработку детали электроэрозионным станком, нужно иметь техническое задание и макет самого изделия. Формат представляемых данных может быть любой, перевод его в команды блока ЧПУ осуществляется оператором станка или программистом.

При электроэрозионной резке нет нужды использовать инструменты, более твёрдые чем материал обрабатываемой детали. Для резки твёрдосплавных соединений используется проволока из цветных сплавов, которую получают обычным способом. Оборудование при резке также не отличается высокой сложностью, как и сами технологические приёмы работы с ним. Скорость рабочего процесса не зависит от твёрдости и прочности обрабатываемого материала. При резке не требуется каких-либо усилий механического типа, благодаря чему качество обработки получается очень высокое. Количество же всевозможных операций и переходов на одну обработку сводится к минимуму даже при очень сложной форме детали. Различные по техническим характеристикам станки для резки имеют разную производительность рабочего процесса, но все они могут выполнять схожие операции, лишь за разное время.

Рекомендуем эти статьи:

Модели современных станков

Современный станок электроэрозионной обработки металлов состоит из следующих узлов:

• электродвигатели, действующие независимо друг от друга;
• устройство подачи проволоки в зону эрозии;
• рабочую ванну с охлаждающей жидкостью;
• рабочий стол для расположения заготовки в процессе обработки;
• блок управления станком.

Производителями станков этого типа являются как азиатские, так и европейские государства. Имея одно и то же назначение, станки разных производителей сильно отличаются по своей функциональности и цене. Если китайское и южнокорейское оборудование стоит значительно дешевле европейского, то последнее выполняется производителями на более высоком уровне с большей степенью автоматизации рабочих процессов.

Российскими производителями выпускается прецизионное оборудование АРТА для электроэрозионной обработки металлов.

Научно-промышленная корпорация “Дельта-Тест” сегодня является лидером в России по изготовлению оборудования этого типа. Изготавливая новые станки, предприятие занимается и модернизацией оборудования более ранних сроков производства.

Sodick

На рынке современного оборудования хорошо известна компания Sodick, производящая проволочно-вырезные электроэрозионные станки.

Обладая высокими технологическими параметрами, оборудование этой компании применяется для обработки тугоплавких металлов и монокристаллов. С помощью этих станков изготавливаются перфорированные плиты и трубы, рабочие элементы копировальных станков, штампы с профилями трёх координатного измерения, металлокерамические штампы. Специалистам на таком оборудовании без особого труда удаётся изготавливать кулачки и их прототипы, электроды-инструменты для станков копировально-прошивочной группы.

Mitsubishi

Проволочно-вырезной станок Mitsubishi MV1200S при стоимости около 7 млн. рублей позволяет выполнять сложнейшие операции по электроэрозионной обработке деталей любой формы, выполненных из самых различным токопроводящих материалов.

При интенсивном использовании этого станочного оборудования в современном производстве затраты на его покупку окупаются в короткие сроки.

Оборудование для электроэрозионной обработки Agie изготавливается в Швейцарии и с успехом конкурирует с другими моделями этой станочной группы.

При малых габаритных размерах на станке Agie можно в автоматическом режиме выполнять сложнейшие работы по обработке твёрдосплавных изделий самого широкого назначения.

Как видно из статьи, оборудования для электроэрозионной обработки деталей на современном рынке предостаточно. Его изготавливают почти все ведущие промышленные страны мира под различными брэндами и по разной цене. Выбрать же из этого предложения именно то, что нужно нашему отечественному производителю, не просто. Однако, соизмерив свои финансовые возможности и проведя предметные переговоры с менеджерами компаний, представленных на интернет-сайтах этой тематики, можно сделать правильные выводы, а затем сделать и саму покупку.

Принцип работы, устройство и назначение электроэрозионного станка

ЭЭО: общая информация

Электроэрозией называют разрушение верхних слоёв металла под действием электротока. Способ обработки металлов, основанный на использовании электрической эрозии, был впервые разработан учёными Б. Р. Лазаренко и Н. И. Лазаренко в СССР ещё в первой половине XX века.

В ходе ЭЭО в зоне электрического разряда при высоком температурном воздействии материал нагревается, плавится и начинает испаряться. Для обеспечения таких условий необходим мощный источник энергии – генератор импульсов. Весь процесс проходит в специальной жидкости, заполняющей небольшое пространство между электродами. Последними в данном случае являются обрабатывающий инструмент и сама деталь.

Силы, возникающие в канале разряда в ходе металлообработки, выбрасывают расплавленный и испарённый метал в рабочую жидкость, где он охлаждается, оседает и в итоге выводится из рабочего пространства в виде небольших твёрдых частиц. На обрабатываемом участке заготовки появляются лунки, которые называют эрозионными.

Актуальные госстандарты выделяют несколько базовых разновидностей ЭЭО:

• Вырезание (ЭЭВ) и отрезка (ЭЭОт);
• Прошивание (ЭЭПр);
• Объёмное копирование (ЭЭОК);
• Шлифование (ЭЭШ);
• Маркирование (ЭЭМ);
• Упрочнение (ЭЭУ).

ЭЭО служит для работы с заготовками сложной формы, получения фасонных полостей, изготовления в твердосплавных деталях различных канавок, прорезей и пазов, а также для резки, шлифовки и многих других производственных операций. Схему ЭЭО вы можете увидеть ниже.

Схема ЭЭО. 1 – ЭИ, 2 – заготовка, 3 – РЖ, 4 — конденсатор, 5 – реостат, 6 – источник электропитания, 1р – электроискровый режим, 2р – электроимпульсный режим.

Электроискровый режим

Деталь либо заготовка в этом режиме имеет положительный заряд и является анодом. Поток частиц обрабатывает поверхность материала, расплавляя его в виде лунки. Чтобы поток не деформировал ЭИ, необходимо использовать импульсы напряжения длительности не выше 10-3 с. При работе в электроискровом режиме слой снимаемого металла будет небольшим, поэтому такой метод лучше подходит для точной чистовой обработки.

Электроимпульсный режим

В этом режиме деталь имеет отрицательный заряд и является катодом. Она принимает на себя напряжение длительностью выше 10-3 с, под действием которого между ней и электрод-инструментом образуется дуговой разряд. Ионный поток, возникающий в ходе такой обработки, получается достаточно мощным, чтобы снимать большой слой металла с высокой скоростью. В сравнении с электроискровым режимом, при электроимпульсном воздействии продуктивность ЭЭО повышается примерно в 8 раз, однако страдает качество и чистота обработки.

Теперь, когда освещены основные виды и режимы ЭЭО, рассмотрим принципы работы и типологию станков, на которых она производится.

Шпиндельные узлы станка

Рис. 4 — Конструкция прошивочной головки ЭЭ станка

В качестве шпинделя у ЭЭП станков является прошивочная головка, рассмотреть ее можно на рисунке 4, который представлен выше.

1. Гидростатическая направляющая;
2. Шпиндель;
3. Гидроцилиндр;
4. Вал
5. Гидротормоз
6. Редуктор
7. Гидропанель
8. Корпус
9. Стяжка
10. Переходная плита

Электроэрозионный станок: строение и виды

Электроэрозионным станком (ЭЭС) называют устройство, предназначающееся для металлообработки методом электрической эрозии. По принципу работы принято выделять универсальные и специальные ЭЭС двух типов: вырезные и копировально-прошивочные.

Копировально-прошивочные ЭЭС

Такие станки изготавливают повышенной точности либо в стандартной модификации. Чаще всего они имеют вертикальную компоновку и неподвижный либо координатный стол со съёмной или подъёмной ванной. Современные модели оснащают функцией адаптивного программируемого управления, что значительно расширяет спектр операций, доступных устройству.

• Обработка отверстий со сложным профилем (фильеры, щели и др.);
• Изготовление элементов рабочих компонентов пресс-форм, фильер, штампов;
• Прошивка отверстий, извлечение остатков инструмента из крупногабаритных изделий (переносных станков и т. д.).

Схема копировально-прошивочного ЭЭС с электрогидравлическим приводом подачи ЭИ

Вырезные ЭЭС

Благодаря особым генераторам с биметаллической проволокой вырезные электроэрозионные станки имеют производительность на 60-70% большую, чем устройства копировально-прошивного типа. При работе с геометрически сложными поверхностями (н-р конусами) используют дополнительное оборудование.

Сфера применения вырезных ЭЭС достаточно широка. Их применяют в автомобиле- и приборостроении при вырезке сложных деталей, матриц для экструдирования, различных шаблонов, в изготовлении изделий массового потребления (инструменты, предметы декора и т. д.).

Устройство ЭЭС вырезного типа.

Приводы подач станка

Электроэрозионное разрушение осуществляется в рабочей среде, которая подаётся в МЭП. Поэтому каждый ЭЭП станок оснащен системой подачи рабочей жидкости, что представлено на рисунке 5. Так как в процессе обработки происходит загрязнение рабочей жидкости, то в компоновку станка входит и система регенерации рабочей жидкости. В ЭЭП станках обычно эти две системы объединены.

Рис. 5 — Система подачи и регенерации РЖ

1. Емкость
2. Гидроносос
3. Манометр
4. Система фильтрации
5. Гидрораспределитель
6. Вентиль
7. Гидроприемник
8. Ротаметр
9. Кран
10. Кран
11. ЭИ
12. Деталь
13. Рабочая ванна
14. Слив

Рабочая жидкость из емкости >> гидронасос. Регулирование подачи рабочей жидкости — манометром. Поток рабочей жидкости >> систему фильтрации >> гидрораспределитель. При превышении требуемого давления открывается вентиль и часть рабочей жидкости >> гидроприемник >> либо через кран 10 в рабочую ванну, либо через кран 9 через полый ЭИ. Обрабатываемая деталь находится в рабочей ванне. Для регенерации рабочая жидкость >> рабочей ванны через слив.

Принцип работы ЭЭС

Электроэрозионная обработка на станке проходит через несколько основных этапов:

Процесс ЭЭО: электроды (1), жидкость-диэлектрик (2), лунки (3), газ (4) и шлам (5).

1. К электродам (1) подаётся напряжение, создающее между ними электрическое поле. При уменьшении этого промежутка до критического значения меж электродами образуется разряд, создающий проводящий канал.
2. Чтобы повысить эффективность разряда, катод и анод помещаются в жидкость-диэлектрик (2). Материал каждого электрода имеет микроскопические неровности и выступы, максимальная напряжённость электрического поля возникает между двумя самыми близко расположенными выступами. В этом промежутке появляются проводящие «мостки» из примесей РЖ.
3. В ходе нагрева жидкости и её испарения под действием электротока возникает пузырь из газа (4). Внутри него происходит сильный дуговой либо искровой разряд, сопровождаемый ударной волной. Возникшие как следствие разряда потоки частиц (ионы, электроны) летят к электродам, способствуя поддержанию канала разряда.
4. Концентрируемая в зоне разряда энергия увеличивает температуру в ней до огромных значений. Электродные поверхности начинают плавиться и частично испаряться, а капли расплавленного материала подхватываются диэлектрической жидкостью и выводятся в виде небольших фрагментов (5).

Несущая система станка

Станина ЭЭП станков выполнена в виде коробки, которая придает конструкции устойчивость и повышенную жесткость. Каретка барабана, крепления колонны, направляющие стола, являются ответственными частями станины, которые подвергаются шабрению и полированию.

Для того, чтобы изготовить станину нужно использовать материалы, которые будут обладать высокой прочностью и иметь небольшой коэффициент теплового расширения. Для изготовления станины ЭЭП станка применялся особый вид чугуна — высокопрочный.

Требования к ЭИ и РЖ для электроэрозионных станков

Согласно действующим нормативным документам, РЖ для электроэрозионной металлообработки должна:

• Способствовать высокой продуктивности ЭЭО;
• Иметь низкий уровень испаряемости;
• Обладать стабильными физико-химическими свойствами;
• Иметь хороший уровень фильтруемости, невысокую коррозионную активность в отношении материалов ЭИ и детали;
• Не содержать токсичных веществ в составе.
• Обладать температурой вспышки паров не ниже 61 оС.

Большое распространение в области ЭЭО получили низкомолекулярные углеводородные жидкости различных уровней вязкости, вода, растворы на основе воды и двухатомных спиртов, кремнийорганические жидкости. Оптимальные для того или иного метода обработки параметры обеспечивают специализированные РЖ. Эффективность использования жидкости снижается в зависимости от степени её загрязнённости шламом. Замену РЖ чаще всего производят при падении электропроводности ниже 0,05 См/м.

Электрод-инструмент, используемый при ЭЭО, должен обеспечивать стабильную работу станка во всём диапазоне его рабочих режимов и способствовать наибольшей производительности при минимальном износе. Качественный ЭИ обладает следующими свойствами:

• Жёсткость и высокая сопротивляемость механической деформации;
• Стойкость к высокотемпературным воздействиям;
• Отсутствие царапин, трещин, вмятин и других дефектов;
• Шероховатость Ra = 2,5:0,63 мкм.

Для работы с углеродистыми сталями, жаропрочными сплавами применяются электрод-инструменты из меди и графита. В черновой обработке этих же материалов используются чугунные и алюминиевые ЭИ. Тугоплавкие и твердосплавные материалы обрабатывают посредством композиционных медных и вольфрамовых ЭИ. Конкретный материал и тип выбранного инструмента зависит от обрабатываемой детали, сложности её формы, размеров, материала и других параметров.

Выбор технических характеристик станка

Проанализируем, при каких «критериях» выбираются электроэрозионные станки.

1) Геометрические параметры

Для того чтобы выбрать прошивной станок, который в свою очередь создает размерный ряд, нужно для начала просмотреть массу и габаритные размеры.

2) Производительность

Влияние электроэрозионных станков на производительность:

• параметры импульсов разрядного тока;
• условия подвода рабочей жидкости и характеристики ее потока;
• материал и качество электрод-инструмента;
• способ защиты проволоки от обрывов.

3) Точность

Критерии от которых зависит точность:

— точность и повторяемость позиционирования по различным осям;

— динамические характеристики приводов;

— уровень температурных деформаций;

— стабильность параметров импульсов генератора;

— устойчивость устройства ЧПУ к помехам.

4) Шероховатость

Для обработки деталей важно достигнуть определенной шероховатости. Факторы, которые влияют на шероховатость детали:

1. Энергия разряда;
2. Сила тока;
3. Материал электрода-инструмента.

Для примера на рисунке 1 приведена таблица технических характеристик трех электроэрозионных станков.

Рис.1 — Технические характеристики ЭЭП станков

Технология электронно-лучевой сварки

Электронно-лучевая сварка – это надежный способ соединения тугоплавких материалов с разной температурой плавления, сокращенно ЭЛС.

Электронно-лучевая сварка — это надежный способ соединения тугоплавких материалов с разной температурой плавления, сокращенно ЭЛС. Технология развивается с середины прошлого века и с успехом используется в авиационной, космической промышленности. Там, где необходимо особо точное и крепкое соединение компонентов.

Описание технологии

В основе электронно лучевой технологии сварки лежит использование механической энергии электронов, которую создает электронная пушка. Скорость электронов в магнитном поле пушки прямо зависит от ускоряющего напряжения. От мощности энергии пучка и плотности свариваемого материала зависит глубина проникновения луча. При воздействии пучка с материалом кинетическая энергия электронов переходит в тепловую. В это время происходит создание вторичных электронов и выделение рентгеновского и теплового излучений. Чем меньше диаметр пучка, тем больше его удельная мощность.

Управляя мощностью луча и длительностью облучения, можно выполнять множество разных технологических операций. От очистки поверхности материала до сварки и испарения. Все процессы происходят в вакуумной среде. В зависимости от производственной необходимости, вакуум в камере может быть от 10-2 до 10-6.

Для обеспечения непрерывного процесса используют сменные контейнеры. Пока происходит процесс сварки в одном контейнере, другой перезаряжают. Наличие двух контейнеров в несколько раз увеличивает производительность сварочной установки.

Электронно лучевая технология сварки позволяет не только надежно соединять разные материалы, но и делать напыление металлом или керамикой, создавать новые материалы. Например, можно создать материал с электропроводностью меди и крепостью стали.

Мат. часть процесса

• электронную пушку, которых может быть несколько;
• вакуумную камеру;
• блок управления;
• смотровое окно для наблюдения за процессом (или монитор).

В электронно лучевой пушке для сварки формируется поток электронов, который производится катодом, подогреваемым спиралью. Около катода расположены дополнительные электроды, которые предварительно фокусируют электроны, формируя луч. На катод подается отрицательное напряжение. На ускоряющий электрод, размещенный на расстоянии нескольких сантиметров от катода, прикладывается положительное напряжение. Высокая разность потенциалов разгоняет электроны до скорости выше 100 000 км/с. В связи с тем, что электроны имеют свойство взаимно отталкиваться, их необходимо сфокусировать электромагнитной фокусирующей системой. Для точного управления лучом в электроннолучевой пушке установлена электромагнитная отклоняющая система.

• уменьшает потери энергии электронов от ударов об молекулы воздуха;
• почти полностью снижается вероятность возникновения оксидной пленки на свариваемых материалах;
• предотвращает образование дугового разряда.

Для сварки может применяться постоянное или импульсное напряжение с частотой 100-500 Гц. Использовать импульсное напряжение эффективнее, особенно при варке легкоиспаряющихся металлов: алюминий или магний. Энергия луча не тратится на ионизацию паров.

При правильно выборе частоты и скважности колебаний можно сваривать тонкие листы.

Виды сварочных лучевых установок

По величине рабочего ускоряющего напряжения установки делятся на:

• низковольтные (10-30 кВ);
• средние (40-60 кВ);
• высоковольтные (100-200 кВ).

Промышленность производит универсальные установки и специализированные. Универсальные системы можно применять для ремонтной и экспериментальной сварки изделий. Специализированные системы настраиваются на изготовление однотипных деталей.

Системы могут применяться не только для сварки металлов, в том числе тугоплавких, но и для обработки керамики, стекла, алмазов и других материалов. Установки можно использовать для:

• сварки;
• резки;
• гравировки;
• сверления;
• легирования
• напыления.

Некоторые агрегаты оснащаются механизмом горизонтального вращения для обработки деталей трубчатой формы.

Современные установки отличаются особой точностью позиционирования луча, поэтому они с успехом используется в микроэлектронике. Например, аппарат MEBW-60, который производит предприятие Focus, может сваривать детали из нержавеющей стали толщиной от 0,02 мм. Максимальная толщина стыка до 12 мм.

Использование сварки в промышленности

Без электроннолучевой сварки не обойтись во время обработки:

• активных металлов;
• термоупрочненных материалов;
• деталей ответственного назначения;
• тугоплавких металлов,
• изделий из керамики, камня.

Метод лучевой сварки используется и для производства в металлургии. Титан выплавляется из титановой губки при помощи электронно лучевых пушек.

Японские строители атомных станций применяют лучевую сварку для соединения аустенитной нержавеющей стали, используемой в активной части реактора, используют электронно-лучевые установки. Исследования показали, что качество сварного шва, полученного лучевым способом, по многим показателям превосходит шов дуговой сварки.

ЭЛС широко применяются в электронной промышленности. С ее помощью герметизируют микросхемы и полупроводниковые приборы. Температура нагрева изделия не превышает 200 градусов. Сварочный аппарат ЭЛУМС-25/0,5, разработанный в НПО «Орион», может приваривать золотые проводники микросборок диаметром 5 мкм.

Наиболее мощные и большие установки применяются в авиационной промышленности. Объем камер составляет около 1500 кубических метров.

В последнее время, после некоторого спада интереса к электронно-лучевой сварке, из-за общего кризиса в экономике, активизировались работы по производству и разработке новых технологий ЭЛС. Если вы специалист в этой сфере, и вам есть что рассказать, добавить или поспорить по теме, высказывайтесь в блоке комментариев.

Электронно-лучевая сварка: понятие, особенности и технология процесса, состав применяемого оборудования

Электронно-Лучевая Сварка (ЭЛС) — это один из видов сварки плавлением. Источником энергии для осуществления процесса ЭЛС служит электронно-лучевая пушка с системой управления электронным пучком (лучом).

Технология процесса ЭЛС регламентируется отраслевыми стандартами и подлежит контролю качества по ГОСТ ISO 13919-1—2017 «Сварка. Соединения, полученные электронно-лучевой и лазерной сваркой. Руководство по оценке уровня качества для дефектов».

Область применения

Этот вид неразъёмного соединения различных материалов нашел широкое применение в авиационно-космической технике, судостроении, строительстве, микроэлектронике и других сферах человеческой жизнедеятельности, где необходимо сваривать тугоплавкие, прецизионные (особо чистые) материалы с уникальными свойствами.

Такие металлы, как вольфрам, тантал, молибден, ниобий, имеющие температуры плавления выше 2500 °C, могут быть сварены только лучевыми методами сварки.

Уникальность метода заключается в том, что с его помощью удается сваривать как сверхтонкие детали толщиной до десятков микрон, так и особо толстые (200…300 мм) конструкции из однородных и разнородных металлов и даже некоторые неметаллические материалы.

Особенности процесса электронно-лучевой обработки

Сущность процесса состоит в использовании кинетической энергии потока электронов, движущихся с высокими скоростями в вакууме под воздействием электромагнитного поля. Для уменьшения потери кинетической энергии электронов за счет соударения с молекулами газов воздуха, а также для химической и тепловой защиты катода в сварочной камере создают вакуум до 10 -6 Па.

Электронный луч в зоне сварки обладает высокой мощностью, превосходящей альтернативные сварочные источники, уступая по некоторым параметрам только лучу лазера.

Сварка может производиться как непрерывным, так и импульсным электронным лучом. Импульсные лучи большой плотности с частотой импульсов 100—500 Гц используются при сварке легко испаряющихся металлов, таких, как алюминий, магний, цинк.

Схема электронно-лучевой сварки

ЭЛС позволяет соединять между собой термоупрочненные, тугоплавкие, а также химически активные при высоких температурах материалы. Создает минимальную околошовную зону термического влияния.

КПД электронно-лучевой сварки составляет рекордные 85…90 %. Но такие достижения сопряжены с большими капитальными затратами на оборудование.

Речь идет не только об основном технологическом оборудовании, но и о системах обеспечения вакуума, необходимого для ведения процесса сварки, а также о ЧПУ для автоматизированного управления этим процессом.

Технология и оборудование

Оборудование для электронно-лучевой сварки можно разделить:

• на универсальное, то есть предназначенное для реализации различных технологических процессов по обработке любых материалов: разделительная резка и прожигание отверстий; сварка и наплавка; нанесение покрытий и напыление; гравировка и т. д.
• и специализированное — предназначенное для выполнения конкретных операций при изготовлении серийных деталей и конструкций.

В состав оборудования входят:

1. Электронная пушка, создающая эмиссию и ускорение электронов.
2. Фокусирующая электромагнитная линза, концентрирующая электронный луч и способствующая увеличению плотности потока электронов.
3. Электромагнитная отклоняющая система для точного управления лучом.
4. Вакуумная установка, которая исполняет следующие функции: удаляет атмосферные газы, молекулы которых препятствуют свободному прохождению электронного луча; обеспечивает защиту от воздействия газов и влаги атмосферы на расплавленный металл и зону термического влияния.

Для ЭЛС применяются установки и агрегаты камерного типа (свариваемые детали помещаются целиком в рабочую камеру) и бескамерные (вакуум создается локально — только в месте выполнения сварочных работ).

Технологические приемы и регулируемые параметры ЭЛС

1. Для уменьшения пор в сварном шве применяют регулировку наклона луча на 5-7° от перпендикуляра.
2. Для легирования металла шва возможно применение присадок.
3. Применение способа соединения без разделки кромок или в узкую разделку.
4. Одновременное или последовательное использование двух электронных лучей, при этом один луч производит проплавление металла, а второй формирует корень шва.
5. Возможность варьировать продольную и поперечную развертку электронного луча по форме сечения.

Основные параметры режима электронно-лучевой сварки:

• сила тока в луче;
• ускоряющее напряжение;
• скорость перемещения луча по поверхности изделия;
• продолжительность импульсов и пауз;
• точность фокусировки луча;
• глубина вакуума.

Преимущества и недостатки

Обычно преимущества и недостатки определяются в сравнении с аналогами. В данном случае приходится говорить об условных недостатках, так как для определенных конструкций и свариваемых материалов просто нет альтернативных методов и аналогов для сравнения. Главным и непревзойденным преимуществом является высокое качество сварных швов.

Электронно-лучевая сварка, технология и дефекты. Установки и другое оборудование для ЭЛС

Содержание

1. Сущность процесса электронно-лучевой сварки
2. Параметры и показатели ЭЛС
3. Схема установки электронно-лучевой сварки
4. Технология электронно-лучевой сварки
   • Техника ЭЛС
     • Технологические приёмы ЭЛС
   • Расчёт некоторых параметров режима ЭЛС
5. Оборудование для электронно-лучевой сварки
   • Классификация и состав установок для ЭЛС
   • Электронно-лучевые пушки
     • Источники питания электронно-лучевой пушки
   • Вакуумная система электронно-лучевой установки
   • Система управления электронно-лучевой установкой
6. Дефекты сварных швов при электронно-лучевой сварке
7. Видео: Электронно-лучевая сварка

Сущность процесса электронно-лучевой сварки

Электронно-лучевая сварка (ЭЛС) осуществляется в вакууме, с помощью сфокусированного потока электронов с большой удельной мощностью, который воздействует на сварные кромки, расплавляя их.

Сварка тонкого металла проводится потоком мощностью, примерно, 104 Вт/см 2 . Для однопроходной сварки больших толщин металла, порядка 200-300мм, необходима мощность 10 5 -10 6 Вт/см 2 .

Высокая концентрация энергии в лучевом потоке позволяет получать узкие и глубокие сварные швы с минимальной зоной термического влияния и высокими механическими свойствами при этом, сварка выполняется на больших скоростях.

Параметры и показатели ЭЛС

К характеристикам электронного луча, измеряемым в процессе сварки, относятся сила тока луча I, ускоряющее напряжение U, сила тока фокусирующей системы I_ф, рабочее расстояние (расстояние от центра фокусирующей системы до сварных кромок) L, угол сходимости луча а, скорость перемещения лазерного луча V. Мощность луча Q=IU, Вт. Эти параметры задаются при сварке и с помощью них можно определить удельную мощность Q_у, Вт/см 2 и диаметр электронного луча d:

Если сварка ведётся в импульсно-периодическом режиме, то среднюю мощность луча можно определить по формуле:

где I_и – сила тока луча в импульсе, А; U – ускоряющее напряжение, В; f – частота импульсов, Гц; t – продолжительность импульса, с. Скорость сварки в импульсном режиме определяется по формуле:

где K – коэффициент перекрытия точек (обычно находится в пределах 0,5-0,9); b – диаметр сварной точки, см.

Наиболее распространённые значения параметров электронного луча для сварки находятся в следующих пределах: Q=1-120 кВт, при U=25-120 кВ, а=1-5°, t=20-200 мм; Vи=0,1-3 см/с; d=0,1-3 мм, f=1-100 Гц, t=5-100 мс, К>10.

Схема установки электронно-лучевой сварки

Электронно-лучевая сварка, в большинстве случаев, выполняется вертикальным, либо горизонтальным лучом в вакуумных камерах, размер которых зависит от размеров свариваемого изделия. Объём сварочных камер может составлять от 0,1 до сотен кубических метров. На рисунке ниже показана схема установки ЭЛС:

Электронная пушка, расположенная в камере (или на камере) создаёт электронный луч. В камере создают вакуум, который может колебаться в широких пределах: 1-10 -3 Па. Но даже в низком вакууме (1Па), содержание кислорода в 17 раз, а азота в 10 раз меньше, чем в особо чистом аргоне, поэтому, защита зоны сварки в вакуумной камере очень эффективна.

Технология электронно-лучевой сварки

Техника ЭЛС

Электронно-лучевую сварку можно выполнять в нижнем положении вертикальным лучом, а также её можно применять при сварке вертикальных и горизонтальных швов на вертикальной стене. В этом случае электронный луч будет горизонтальным.

Сварка в нижнем положении рекомендуется при сваривании сталей толщиной до 40мм, или при сварке титановых и сварке алюминиевых сплавов толщиной до 80мм. С помощью горизонтального луча можно проварить металл толщиной до 400 мм со сквозным проплавлением. Для однопроходной ЭЛС конструкция должна учитывать глубокое проникновение луча в металл. На рисунке слева даны распространённые примеры конструкций, свариваемые электронным лучом.

Зазор в стыке составляет 0,1-0,2мм при сварке металла толщиной до 30мм. При сварке металла с толщиной более 30мм, величина зазора составляет 0,3мм. В общем случае, диаметр луча должен быть больше величины зазора.

Технологические приёмы ЭЛС

При электронно-лучевой сварке есть ряд специальных приёмов, позволяющих улучшить качество сварного шва:

1. Сварка наклонным лучом (отклонение луча составляет порядка 5-7°) позволяет уменьшить такие дефекты в сварном шве, как поры и несплошность металла, а также позволяет добиться равномерной кристаллизации металла.

2. Для легирования металла шва и для восполнения испаряющихся в процессе сварки элементов, используют присадку.

3. Для улучшения отхождения газов и пара из металла, сварку ведут на дисперсной прокладке из гранул или мелко нарубленной сварочной проволоки. Толщина прокладки составляет 40мм.

4. Сварку в узкую разделку (0,8-8мм) выполняют в нижнем положении за счёт наплавки присадочного материала в прямоугольную разделку кромок.

5. Сварку ведут тандемом из двух электронных пушек разной мощности. Более мощная пушка выполняет проплавление, а менее мощная пушка формирует корень канала, либо хвостовую часть ванны.

6. Для проверки позиционирования луча и очистки свариваемых кромок применяют предварительные проходы лучом.

7. Двустороннюю сварку выполняют одновременно с двух сторон стыка или последовательно, примерно на половину толщины металла.

8. В процессе сварки применяют развёртку электронного луча, тем самым создают лучшие газо- и гидродинамические условия формирования канала. Развёртка может быть продольная, поперечная, Х-образная, по окружности, по эллипсу и др. Двойное преломление луча в процессе развёртки позволяет качественнее проварить корень шва и снизить дефекты в нём.

9. Для сварки одновременно двух и более стыков выполняют расщепление луча с помощью отклоняющей системы.

10. Для управления теплоотдачей в сварной шов используют модуляцию тока луча, чаще всего с частотой 1-100Гц.

11. По окончании сварки выполняют так называемый “косметический” проход. Это повторный проход, который призван устранить дефекты сварного шва как внешние, так и внутренние.

Расчёт некоторых параметров режима ЭЛС

Скорость сварки, необходимая для проникновения луча на глубину Н, определяется по формуле:

На рисунке ниже представлена экспериментальная зависимость термического КПД nт проплавления от параметра Q/(HV_св) для сварки сталей:

Связь параметров электронного луча с геометрическими характеристиками определяется по формуле:

Оборудование для электронно-лучевой варки

Классификация и состав установок для электронно-лучевой сварки

По степени специализации установки для электронно-лучевой сварки делятся на универсальные и специализированные. По давлению в рабочей камере: с высоким вакуумом (с давлением в камере менее 1Па), с промежуточным вакуумом (давление в камере от 1 до 10 Па) и для сварки в среде защитных газов или в атмосфере (с давлением 1000-100000 Па).

По способу создания вакуума в зоне сварки различают камерные электронно-лучевые установки (когда изделие находится внутри рабочей камеры) и с локальным вакуумированием (вакуум создаётся только в зоне сварки).

На рисунке выше показана структура камерной установки для ЭЛС. В состав любой подобной установки обязательно входит электронно-лучевая пушка, источник питания, система создания вакуума, система управления.

Электронно-лучевые пушки

Электронно-лучевые пушки создают электронный луч. Основные узлы пушки показаны на рисунке слева. Это генератор электронов и система проведения луча. В состав генератора электронов входит катод, управляющий электрод и анод. В систему проведения луча входят юстирующие, фокусирующие и отклоняющие катушки.

Катоды бывают накальными (термокатоды) или плазменными. Термокатоды изготавливают из вольфрама, тантала, сплавов этих металлов с рением, или из гексаборида лантана.

Высоковольтные изоляторы изготавливают из керамики, стекла или специальных пластмасс. Анод и управляющий электрод изготавливаются из меди или нержавеющей стали.

Между анодом и катодом проложено ускоряющее напряжение. Управление лучом происходит путём изменения потенциала управляющего электрода по отношению к катоду.

Источники питания электронно-лучевой пушки (ЭЛП)

В состав источников питания ЭЛП входит источник ускоряющего напряжения, а также источники питания управляющего электрода, катода, юстирующей катушки, фокусирующей катушки и отклоняющей катушки. В состав источника ускоряющего напряжения входит регулирующий элемент на первичной или вторичной стороне высоковольтного трансформатора с преобразованием частоты питающего напряжения, или без него. На рисунке ниже показана схема источников ускоряющего напряжения.

Регулируют напряжение тиристорами или транзисторами на первичной стороне. Регулировка на вторичной стороне происходит при помощи специальных высоковольтных ламп. Для предохранения ЭЛП от электрических пробоев, источники ускоряющего напряжения оснащаются устройствами автоматического повторного включения. Это оснащение позволяет успешно выполнять сварку при частых пробоях при этом, значительного снижения качества сварки не происходит.

Источники ускоряющего напряжения располагают в баке с трансформаторным маслом, которое, кроме всего прочего, играет роль охлаждающей среды. Существуют также источники ускоряющего напряжения до 60 кВ, в которых в качестве охлаждения применяется воздух или компаунд.

Для гальванического разделения в источнике питания управляющего электрода предусмотрены трансформаторы высокой чистоты или совместно используемые светодиод/фототранзистор, соединённые между собой световодом. Для обеспечения постоянных параметров системы проведения луча, питание юстирующей, фокусирующей и отклоняющей катушек осуществляется при помощи регулятора тока.

Вакуумная система электронно-лучевой установки ЭЛУ

Вакуумная система ЭЛУ необходима для обеспечения требуемого давления в ЭЛП и в рабочей камере. В большинстве случаев, давление составляет 0,1-0,001 Па в ЭЛП и 0,01-10 Па в рабочей камере. ЭЛП изолируется от рабочей камеры посредством специального вакуумного клапана, который открывается на время проведения сварки. На рисунке справа представлена схема типичной вакуумной камеры электронно-лучевой установки.

В качестве механических насосов с максимальным давлением 0,1-10 Па, на практике применяются шиберные или золотниковые насосы и агрегаты на их основе. В их составе также используются двухроторные насосы. В случае необходимости создания высокого вакуума, применяют высоковакуумные паромасляные или турбомолекулярные насосы.

Система управления электронно-лучевой установкой

Система управления должна обеспечивать выполнение следующих задач:

1. Программное управление функционированием всех систем установки.

2. Мониторинг и диагностику работы всех систем установки.

3. Контроль и управление положением электронного луча по отношению к сварному стыку.

4. Контроль и управление пространственными, энергетическими и временными характеристиками электронного луча.

5. В случае работы установки в составе гибкой производственной системы – обеспечивать связь с системой управления более высокого уровня.

Элементарной базой системы управления является микропроцессор. Всё программное управление может осуществляться одним достаточно мощным компьютером, либо системой компьютеров, среди которых есть центральный и местные микропроцессоры, на которых выполняется локальное управление одним, или несколькими устройствами.

Дефекты сварных швов при электронно-лучевой сварке

Наиболее характерными дефектами при электронно-лучевой сварке с несквозным проплавлением являются не заполненные металлом полости, размером 5-10мм и периодическое несплавление корня шва.

Возникают дефекты из-за изменения глубины проплавления. Глубина проплавления может быть различной при одной и той же удельной мощности электронного луча и зависит она от скорости сварки. Чем меньше скорость сварки, тем больше глубина проплавления.

На рисунке сбоку показано формирование полости внутри сварного шва в сварочном канале. При уменьшении скорости сварки глубина канала увеличивается, и на выходе из канала возникает вероятность его захлопывание жидким металлом и образование полости в металле шва.

Формирование периодических дефектов в корне шва в виде несплавлений, амплитуда которых может достигать порядка 3-4мм, объясняется периодическими колебаниями жидкого металла в сварочной ванне и связанным с этими колебаниями периодическим перемыканием (закупориванием) канала.

Во время закупоривания энергия луча некоторое время тратится на “сверление” слоя жидкого металла, т.е. выполняется работа по формированию некоторой доли глубины канала, что реально приводит к уменьшению глубины канала именно на эту долю.

Характерными дефектами электронно-лучевой сварки также являются отклонение канала проплавления от линии стыка кромок. Происходит это из-за отклонения электронного луча по причине воздействия на него магнитного поля. Это явление наблюдается при сварке сталей с остаточной намагниченностью. Для предотвращения подобного дефекта свариваемые изделия размагничивают до начала сварки.

Видео: Электронно-лучевая сварка