Электроэрозия или фрезеровка закалённой стали: когда выгоднее и как посчитать рез

Когда фреза не справляется

Закалённая сталь на 58–62 HRC фрезеруется, но с оговорками. Техническая справка по группе H (ISO 513) определяет её как стали и сплавы 45–65 HRC, для которых при чистовой обработке с 58 HRC обычно берут инструмент из CBN, а для 45–55 HRC твердосплавные фрезы с покрытием. Сама же справка отмечает, что фрезеровка закалённых деталей лишь частично вытесняет электроэрозию и шлифовку, потому что требует жёсткого станка, короткого вылета и мелких проходов. Подробнее о подборе фрез по металлу написано в статье про фрезы по металлу для ЧПУ.

Электроэрозию выбирают по трём геометрическим признакам и одному материальному.

Решает здесь не лозунг, а размер самого узкого места. Окно глубиной 30 мм с внутренним радиусом 0,3 мм фрезой с вылетом в четыре диаметра сделать невозможно: инструмент должен быть не тоньше 7,5 мм, а значит и радиус угла не меньше 3,75 мм. Правило «вылет в три-четыре диаметра» дано здесь как ориентир: точные значения зависят от станка, шпинделя и сплава. Если заказчик согласен на радиус 4–5 мм, как советуют при подготовке 3D-модели для фрезеровки, стоимость падает: электроэрозия там не нужна. Острый угол выбирают тогда, когда он нужен по функции, а не по привычке.

Как посчитать время и стоимость вырезки

Скорость проволочных станков паспорта и каталоги измеряют в мм²/мин: это произведение пройденной длины контура на высоту заготовки за минуту. GF AgieCharmilles указывает для CUT P максимум 400 мм²/мин, Mitsubishi в каталоге MV-R говорит о повышении скорости по сравнению с предыдущей серией. Но справочник Reliable EDM предупреждает: производители измеряют скорость на стали D2 высотой около 57 мм при идеальной промывке, а реальная скорость зависит от материала, высоты и требуемой точности.

Задача. Вырезать окно 60 × 40 мм в плите матрицы вырубного штампа из Х12МФ (58–60 HRC), толщина 30 мм. Нужны Ra около 0,3 мкм и допуск ±5 мкм.

Допущения, которые вы подставляете под свой станок и прайс:

Расчёт.

1. Черновой проход. 6 000 / 150 = 40 мин.
2. Три чистовых. Каждый по 0,4 × 40 = 16 мин, всего 48 мин.
3. Время резания. 40 + 48 = 88 мин.
4. Время станка. 88 + 40 = 128 мин, или 2,13 ч. По ставке 3 000 ₽/ч это 6 400 ₽.
5. Проволока. 88 мин × 8 м/мин = 704 м. Масса: сечение π × 0,125² = 0,0491 мм², объём 0,0491 × 704 000 = 34 560 мм³ = 34,6 см³, при плотности латуни около 8,4 г/см³ это 290 г. По 2 500 ₽/кг получается около 730 ₽.
6. Программирование. 0,5 × 1 500 = 750 ₽.
7. Итого. 6 400 + 730 + 750 = 7 880 ₽, или около 131 ₽ за каждый квадратный сантиметр реза.

Те же размеры одним черновым проходом (Ra ориентировочно 0,8–3 мкм, допуск 20–36 мкм по справочнику Reliable EDM): время станка (40 + 40) / 60 = 1,33 ч, то есть 4 000 ₽, проволока 320 м около 130 г и 330 ₽, программирование 750 ₽. Итого 5 080 ₽. Три чистовых прохода добавляют 2 800 ₽, то есть 55 %. Если на чертеже стоят Ra 0,1 мкм и ±2 мкм, понадобятся шесть проходов, термостатированное помещение и контроль на измерительной машине, и цена вырастет ещё.

Как высота плиты бьёт по цене

Те же 200 мм контура в плите 100 мм вместо 30 мм. По тем же ориентирам из блога WSM Technology скорость на 30 мм около 180 мм²/мин, на 100 мм около 80 мм²/мин. Черновой проход 30 мм занимает 6 000 / 180 ≈ 33 мин, а проход 100 мм 20 000 / 80 = 250 мин. Толщина выросла в 3,3 раза, время в 7,5 раза: площадь растёт втрое, а скорость падает ещё вдвое из-за промывки. Справочник Reliable EDM подтверждает, что высокие заготовки режутся «существенно медленнее» заявленного.

Чем электроэрозия отличается от фрезы по себестоимости

Фреза считается по времени и стойкости инструмента: ставка станка плюс износ фрез (в расчёте режимов помогает калькулятор режимов резания). Электроэрозия считается по площади реза и числу проходов, а инструментом служит проволока, которую нельзя использовать повторно. Для расчёта цены удобнее всего калькулятор станко-часа и калькулятор себестоимости изделия: подставляйте в них своё время вырезки, а не табличное. Полный перечень статей затрат на ЧПУ-деталь разобран в материале из чего складывается цена детали на ЧПУ, а ставку станка помогает определить статья сколько стоит нормо-час станка с ЧПУ.

Проволока, смола и диэлектрик в цене

Расходники составляют заметную долю цены, и производители станков это знают. В каталоге MV-R Mitsubishi заявляет, что у новой серии расход проволоки ниже до 46 %, ионообменной смолы до 25 %, фильтров до 45 % и электроэнергии до 69 % по сравнению с предыдущей линейкой. Эти цифры показывают, из чего состоит расход: проволока, смола, фильтры и ток.

Проволока. Диаметр 0,25 и 0,30 мм остаются стандартом: справочник Reliable EDM советует не заказывать более тонкую без необходимости, потому что она режет медленнее и рвётся чаще. По данным блога WSM, катушка латунной проволоки 0,25 мм хватает примерно на 20 часов при подаче 10 м/мин: это 12 000 м, или около 5 кг (π × 0,125² × 12·10⁶ мм × 8,4 г/см³ ≈ 4,95 кг). Проволока с покрытием, по заявлениям производителей, режет на 10–50 % быстрее латуни, но стоит дороже, и сравнивать надо итоговую цену детали, а не килограмма проволоки.

Диэлектрик. В проволочных станках это деионизованная вода. Водопроводная содержит минералы и слишком хорошо проводит ток, поэтому воду пропускают через смолу, которая убирает ионы, а через фильтры, которые собирают шлам. Чиллер держит постоянную температуру воды, иначе плывёт точность. Когда проводимость растёт, насос автоматически гонит воду через смолу. В прошивных станках диэлектриком служит масло, у которого есть свои требования к температуре и пожарной безопасности.

Электроды для прошивки. Электрод из графита или меди нужно сначала сделать на фрезерном станке. Графит приходит пылью: справочник Reliable EDM советует обрабатывать его твердосплавным инструментом и ставить вытяжку, а в отдельных цехах под графит выделяют целую комнату. Это стоимость, которой нет в проволочной вырезке.

Из-за чего обрывается проволока

Обрыв останавливает станок. После него нужно заново заправить проволоку, а иногда повторить проход. По статье Cutting Tool Engineering, проволока рвётся не из-за малой прочности на разрыв: пороговое значение лежит в пределах 60 000–90 000 psi (414–621 МПа), и всё, что выше, на резание уже не влияет. Причина в трещинах: каждый разряд оставляет на проволоке кратер, и если он превысил критический размер, проволока ломается.

Что ещё может пойти не так

• Белый слой. Подробно о нём в статье о принципе работы электроэрозии. На рабочих кромках штампа его убирают чистовыми проходами или полировкой.
• Движение металла. Закалённая сталь хранит внутренние напряжения, и при вырезке крупного окна деталь может «повести». Справочник Reliable EDM советует оставлять рамку 6,5–13 мм по периметру, высверливать и выпиливать лишнее ленточной пилой и брать чистовые проходы, чтобы вернуть размер в допуск. Справочник советует закаливать сталь до вырезки: так коробление от закалки не попадает в готовый контур.
• Питтинг. В справочнике описано, что на штамповых сталях с малым содержанием хрома (H13, S7) иногда появляются точечные поры, тогда как на D2 с 12 % хрома их не было. Причиной нашли остаточный магнетизм заготовки и даже направляющих станка.
• Заусенцы и неровный вход. При входе проволоки под углом, а не по нормали, образуется неровная кромка. Стартовое отверстие советуют ставить на прямом участке контура, а не в радиусе или углу.
• Лишние стружки. Если вырезаются несколько отходов, станок делает несколько заправок и простаивает. Справочник рекомендует оставлять материал так, чтобы вырезался один отход.