Электроэрозионная обработка: как работает, что режет и какие точность и Ra даёт

Что происходит в зазоре

Станок подводит электрод к заготовке на 0,05–0,08 мм: так принято у проволочных машин, справочник Reliable EDM даёт 0,051–0,076 мм. Пространство между ними залито диэлектриком, то есть жидкостью, которая в обычном состоянии ток не проводит. Когда напряжение на электродах достаточно велико, жидкость в самом узком месте пробивается, и между электродом и заготовкой проскакивает разряд. В канале образуется плазма, металл под ней плавится и частично испаряется, а давление плазмы выбрасывает расплав из лунки. Диэлектрик тут же охлаждает капли, превращает их в мелкий шлам и уносит из зазора. По русскоязычной энциклопедии, частота импульсов лежит в пределах 5–500 кГц, и чем короче импульс, тем лучше поверхность.

Электроды не касаются друг друга. Если бы они коснулись, получилось бы короткое замыкание, и резания не было бы. Привод следит за зазором и подаёт электрод вперёд ровно настолько, насколько расходуется металл. Поэтому на закалённой заготовке нет ни деформации от усилия резания, ни вибрации, а тонкая стенка 0,3 мм вырезается так же, как толстая.

Какие материалы режет электроэрозия

Подходит любой материал, который проводит ток: закалённые и незакалённые стали, твёрдые сплавы, алюминий, медь, латунь, титан, инконель, графит, поликристаллический алмаз. Граница по твёрдости не действует: штамповую сталь Х12МФ на 58–62 HRC (её зарубежные аналоги D2 и SKD11) вырезают проволокой так же, как мягкую.

Скорость зависит не от твёрдости, а от электро- и теплопроводности. Алюминий, хороший проводник с низкой температурой плавления, режется быстрее стали. Твёрдый сплав медленнее: ток разрушает кобальтовую связку (6–15 % по справочнику), и зёрна карбида вываливаются, так что скорость определяется долей кобальта. Керамика ток не проводит и не режется, кроме специальных марок с проводящими добавками.

Из практических ограничений два. Окалина после закалки не проводит ток, поэтому места, где проволока входит в металл или где станок ищет центр отверстия, зачищают дробеструйкой. У материалов, содержащих бор и бериллий, например карбида бора, при эрозии выделяются ядовитые пары, и нужна вытяжка.

Проволочная и прошивная электроэрозия

В русской терминологии слово «прошивная» путает: имеют в виду то копировально-прошивной станок, то прошивку малых отверстий. Разберём три схемы.

Проволока тянется с катушки, сквозь заготовку проходит по заданной траектории и после реза уходит в отход. Поэтому её износ не влияет на точность: в зону реза всё время подаётся новая. Ширина реза больше диаметра проволоки: справочник приводит пример проволоки 0,30 мм, оставляющей рез 0,41 мм. Из этого следует, что зазор на сторону около (0,41 − 0,30) / 2 = 0,055 мм. Деталь вырезают целиком, оставляя внутри контура отверстие под начало реза. Проволока режет только по прямой линии сквозь высоту, поэтому глухую полость ей не сделать.

У копировально-прошивного станка электрод изнашивается вместе с заготовкой, и это главная его особенность. По справочнику Reliable EDM около 85 % американских электродов делают из графита: он легко обрабатывается и даёт хорошее отношение съёма к износу. Медь хуже режет, но лучше держит форму при чистовых режимах и допускает автоматическую подгонку по калибровочной плите. При положительной полярности электрода, длинных импульсах и коротких паузах износ графита падает ниже 1 %, но при таком режиме на электроде могут вырасти наплывы металла, которые меняют его форму. Сильнее всего изнашиваются углы электрода, поэтому для острого угла делают отдельный электрод на чистовой проход.

Быстрая и медленная проволока

В России и Китае много станков с молибденовой проволокой, которая бежит со скоростью несколько сотен метров в минуту туда и обратно. Зарубежные каталоги (Mitsubishi, GF AgieCharmilles, Sodick) описывают другое: тонкую латунную проволоку, которая проходит один раз. Разница в точности большая, поэтому цифры из каталога нельзя переносить на любой станок.

Цифры быстрой и медленной схем даны по описанию производителя станков Sans Machining и носят характер ориентира: у конкретной модели они могут сильно отличаться. Для слесарных заготовок, пластин и вырезки под последующую шлифовку хватает быстрой проволоки. Вырубной штамп с зазором 0,02 мм на сторону, твердосплавная матрица или пресс-форма с прецизионными вставками требуют медленной.

Какая точность достижима

Точность контура у каталожных машин определяют три вещи: линейные направляющие, термостабилизация и количество чистовых проходов. Приведём цифры из документов производителей.

Это цифры производителей на лучших образцах в термостатированном помещении, и в цеху они не повторяются автоматически. Справочник Reliable EDM даёт ориентир для обычного рабочего прохода: допуск 20–36 мкм в зависимости от толщины, после чистовых проходов 10 и 5 мкм.

На размер влияют ещё три эффекта. Бочкообразность: давление разрядов и газов слегка выедает середину высокой заготовки. На углах проволока задерживается внутри и ускоряется снаружи, поэтому внутренний угол немного срезается, а наружный остаётся с недорезом. Внутренний угол всегда имеет радиус: он равен радиусу проволоки плюс зазор, то есть для проволоки 0,25 мм после чистовых проходов около 0,13 мм (справочник Reliable EDM), а у проволоки 0,05 мм Mitsubishi называет минимальный внутренний радиус 30 мкм.

Пример: как станок смещает траекторию

Нужно вырезать окно шириной 20,000 мм проволокой 0,30 мм черновым проходом. Зазор на сторону 0,055 мм, поэтому центр проволоки идёт на расстоянии 0,150 + 0,055 = 0,205 мм от линии контура. Траектория по ширине окна равна 20,000 − 2 × 0,205 = 19,590 мм. Чистовые проходы подводят проволоку ближе, и станок пересчитывает смещение сам. Оператору важно только задать правильный диаметр проволоки и номер технологического режима.

Пример: температура съедает допуск

Стальная плита длиной 250 мм нагрелась от рук на 5,6 °C. Коэффициент линейного расширения стали 11,3·10⁻⁶ 1/°C, поэтому длина выросла на 250 × 11,3·10⁻⁶ × 5,6 ≈ 0,016 мм, то есть на 16 мкм. Допуск ±2 мкм на такой плите без выдержки в помещении станка и термостатированной ванны не получить, как бы ни старались проходы.

Шероховатость: проходы против Ra

Чем тоньше слой снимает проход, тем меньше кратеры и ниже Ra. Первый, черновой проход режет сильным током и оставляет грубую поверхность. Каждый следующий снимает лишь 0,01–0,1 мм при меньшей энергии и идёт медленнее. Для сравнения: в начале 1970-х станки резали около 21 мм²/мин, а современные каталожные модели обещают сотни. GF указывает для CUT P максимальную скорость 400 мм²/мин, но достигается она на проходе наименьшего качества.

Для сопоставления с чертежом таблицу значений и перевод в Rz есть в справочнике шероховатости и в калькуляторе Ra и Rz. Копировальная электроэрозия по каталогу GF даёт зеркальную поверхность Ra 0,1 мкм, но это самый медленный режим, где затраты на электрод и время несоизмеримы с обычной фрезеровкой.

Стабильный размер на нескольких проходах держится, пока температура станка и рабочей жидкости не уходит. Жидкость на воде, подготовленной обратным осмосом, дольше сохраняет проводимость в норме, а вместе с ней дольше служат сама жидкость и проволока. Отрезаемую часть заготовки перед последним проходом фиксируют магнитом или струбциной: без этого она проседает или смещается, и на чистой кромке остаётся ступенька.

Белый слой и зона термического влияния

Разряд плавит металл, а диэлектрик быстро его остужает, и часть расплава остаётся на поверхности. Так образуется белый слой, или рекаст: твёрдый хрупкий слой с иной структурой, с микротрещинами и пористостью, часто обогащённый углеродом. Под ним лежит зона термического влияния, где металл не плавился, но нагрелся настолько, что структура изменилась.

По данным лаборатории MSI Lab, белый слой обычно имеет толщину 0,0001–0,002 дюйма, то есть примерно 2,5–50 мкм. Справочник Reliable EDM приводит глубину зоны термического влияния для одной из современных машин: 0,0015 дюйма (около 38 мкм) после чернового прохода, 0,0003 дюйма (около 7,6 мкм) после первого чистового и 0,0001 дюйма (около 2,5 мкм) после второго. Цифры для разных станков и источников тока будут разными, но порядок зависимости тот же: чем меньше энергия последнего прохода, тем тоньше слой.

Опасность не косметическая. Трещины в белом слое концентрируют напряжения и становятся очагами усталостного разрушения, поэтому авиационные и медицинские заказчики ограничивают толщину слоя и требуют металлографические шлифы. Для штамповой оснастки вывод проще: острая рабочая кромка вырубного штампа после чернового прохода крошится раньше срока, и чистовые проходы здесь не роскошь, а часть технологии. О том, как слой связан с ресурсом пуансона, мы писали в статье о штампах для вырубки, а общий маршрут изготовления оснастки описан в материале о пресс-формах и штампах.

Сравнение с другими способами резки металла приведено в обзоре лазерной, плазменной и гидроабразивной резки. Для закалённой детали, у которой нельзя менять свойства кромки, этот материал упоминает как раз проволочную электроэрозию и гидроабразив. Точность лазера и допуски на лист описаны отдельно, в статье о точности лазерной резки.