ВВЕДЕНИЕ
Электроэрозионные станки, использующие принцип электроэрозионного разрушения, позволяют получать очень качественные результаты при обработке сложно-профильных деталей из высокопрочных материалов.
Электроэрозионная (ЭЭ) обработка в настоящее время широко применяется во всех странах мира. Несмотря на то, что первый электроэрозионный станок был выпущен в СССР в 1954 г. первое место по выпуску и продаже ЭЭ станков принадлежит швейцарской компании «AGIE». Эта компания также одной из первых начала выпускать ЭЭ станки с ЧПУ (1969 г.). Ведущими мировыми производителями ЭЭ станков являются: Швейцария – «AGIE Charmilles Group»; Япония – «Fanuc», «Hitachy», «Mitsubishi»; Германия – «Dekkel», «DiterHansen»; Италия – «CDMRovella»; Индия – «Electronica»; Тайвань – «Maurgan», «JoemarsMachinery».
ТЕХНИКО-ЭКОНОМИЧЕСКИЕ ПОКАЗАТЕЛИ
ЭЭ станки с ЧПУ, производимые в последние годы, сильно отличаются по своим технико-экономическим показателям от первых станков с ЧПУ. При проектировании новых ЭЭ станков, прежде всего, уделяется внимание двум главным направлениям: повышение продуктивности и улучшение таких параметров, как точность и шероховатость. Естественно, эти направления тесно связаны с совершенствованием систем управления станком.
Так программный продукт Pilot Expert 3, не только осуществляет управление перемещением электрода-инструмента и устанавливает наиболее рациональный зазор, но и регулирует установку частоты следования импульсов и их длительности в соответствии с текущими значениями. При ЭЭ прошивке широкое применение имеют системы представленные на рисунке 1.
а) следящая система; б) адаптивная линейная система
Рисунок 1 - Схемы ЭЭ прошивки
В задачи систем программного управления ЭЭ станков входит:
- задание и управление перемещениями электрода-инструмента и детали. Например, 4-координатные системы обеспечивают перемещение электрода-инструмента по декартовым координатам X, Y, Z и поворот электрода-инструмента (координата С);
- подготовка процесса обработки;
- автоматическое программирование процесса эрозии.
В режиме диалога оператор последовательно указывает материал заготовки, материал электрода, стратегию обработки (нормальные или сложные условия), желаемую шероховатость поверхности, вид планетарного отклонения, траекторию отвода электрода.
Прошивание может производиться с одновременным перемещением или поворотом электрода-инструмента в соответствии с командами устройства ЧПУ по заданному закону. Это позволяет с помощью электрода одной простой конфигурации получать различные формы поверхностей.
Так как для обеспечения точности размеров при работе на ЭЭ станке главную роль играет межэлектродный зазор, то для его корректировки в станках последнего поколения используют синхронные линейные двигатели (СЛД). В классическом исполнении СЛД представляет собой подвижный якорь, перемещаемый по специальным направляющим вдоль неподвижного статора, выполненного в виде стальной пластины с закрепленными на ней магнитами (так называемая «магнитная дорога»). Это позволяют корректировать положение электрода в соответствии с командами ЧПУ 500 раз в секунду, обеспечивая быстродействие следящей системы до 36 м/мин (600 мм/с).
На качество обработки также большое влияние оказывают тепловые деформации. Прошивка и вырезка сопровождаются очень высокими температурами от 4000 до 50000 оС. В связи этим происходит нагрев и последующая деформация узлов и деталей станка. Интересным и эффективным решением этой проблемы стало использование вместо стали жаропрочной керамики. Из неё изготавливаются такие детали ЭЭ станка, как плита стола, опоры заготовки, кронштейны, детали механизма протяжки проволоки.
Энергетические характеристики генераторов импульсов используемые в большинстве ЭЭ станках остаются еще недостаточными, так как самая большая часть энергии, создаваемой источником питания, накапливается в индуктивности, в частности в источнике мощности, и не может быть использована для обработки. Чрезвычайно выгодно иметь возможность возвращать в источник питания по меньшей мере часть этой энергии, для чего необходим генератор управляемых импульсов. Японской компанией «Fanuc» создан генератор импульсов нового типа, который объединяет следующие преимущества: управление амплитудой тока обработки; длительности и частоты разрядов, используя вспомогательный источник зажигания и контуры возвращения энергии. Генератор дает возможность рекуперации рассеиваемой в линейном дросселе энергии. Источник тока повышенной мощности может запитывать зону обработки между электродом-инструментом высокочастотными импульсами тока управляемой величины, которые являются короткими, имеют большую амплитуду и крутые фронты. В генераторе предусмотрен промежуточный источник, включенный последовательно с электродом-инструментом и обрабатываемой деталью в контур, именуемый "возвратным", а также средства направления этой энергии из этого промежуточного источника в источник повышенной мощности. Всё это приводит к повышению производительности при прошивке почти 2 – 3 раза, а при контурной вырезке в 1,5 – 2 раза. Точность чистовой обработки повышается вплоть до 3 квалитета. Достигаемая шероховатость 0,2 – 0,5 мкм – т.е. поверхность практически зеркальная.
Повышение точности обработки ЭЭП станков достигается также некоторыми дополнительными конструкционными решениями. Например, в ЭЭП станках компании «Mitsubishi» используется механизм обдува станины и колонны. Обдув производится сжатым воздухом который предварительно фильтруется. Снижение концентрации пыли на шариковых винтах предотвращает износ и длительное время сохраняет их точность, что в свою очередь позитивно влияет на точность обработки.
Основные схемы обработки на ЭЭП станке с ЧПУ проиллюстрированы приведены на рисунке 2.
Рисунок 2 - Основные схемы обработки на ЭЭП станке с ЧПУ
На рисунке 3 продемонстрированы детали очень сложной конфигурации, после обработки на ЭЭП станке с ЧПУ.
Рисунок 3 - Детали, обработанные на ЭЭП станке с ЧПУ
Характеристика технико-экономических показателей ЭЭП станков разного поколения представлена в таблице 1.
Таблица 1 - Характеристика технико-экономических показателей
2. ТЕХНИЧЕСКИЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ СТАНКА И
ИХ ОПРЕДЕЛЯЮЩИЕ ФАКТОРЫ
Геометрические и рабочие параметры
Все электроэрозионные станки, в зависимости от массы и габаритных размеров заготовки образуют размерный ряд электроэрозионных станков. В соответствии с ГОСТ 15954-70 размерный ряд состоит из пяти типоразмеров ЭЭП станков (табл. 2).
Таблица 2 – Основные геометрические и рабочие параметры ЭЭП станков
Производительность
На производительность ЭЭП станков влияют:
- параметры импульсов разрядного тока;
- условия подвода рабочей жидкости и характеристики ее потока;
- материал и качество электрод-инструмента;
- способ защиты проволоки от обрывов.
Точность
Точность обработки ЭЭО зависит от:
- жесткость конструкции,
- точность и повторяемость позиционирования по различным осям,
- динамические характеристики приводов;
- уровень температурных деформаций,
- стабильность параметров импульсов генератора,
- устойчивость устройства ЧПУ к помехам.
В таблице 3 указаны параметры длительности импульсов и их влияние на точность обработки.
Таблица 3 – Влияние длительности импульсов на точность обработки
Шероховатость
Одной из наиболее важных характеристик обработки на ЭЭ станках является достигаемая шероховатость. Основными факторами, оказывающими влияние на шероховатость обрабатываемой поверхности, являются: энергия разряда; сила тока; материал электрода-инструмента.
Погрешности, влияющим на качество обработки, представлены в таблице 4.
Таблица 4 – Погрешности, влияющие на качество обработки и их доля в суммарной погрешности
Таблица 5 – Технические характеристики ЭЭП станков
КОМПОНОВКА СТАНКА
ЭЭП станки имеют более сложную комплектацию, чем металлорежущие станки. Объясняется это тем, что для работы ЭЭ обработки необходимо дополнительное оборудование, связанное с технологическим процессом операции прошивки. В обязательную комплектацию входит: транзисторный генератор; тиристорный генератор; электрошкаф. К дополнительным агрегатам можно отнести теплообменники, которые иногда используются для регулирования температуры рабочей жидкости.
Компоновка ЭЭП станков – вертикальная. Это связано с необходимостью удаления продуктов эрозии из зоны обработки, и вертикальная компоновка является наиболее рациональным вариантом.
В последние десятилетия компоновка не изменилась, но дизайн ЭЭП станков значительно улучшился (рис. 4).
Рисунок 4 – Общий вид копировально-прошивочного станка
ПРИВОД ГЛАВНОГО ДВИЖЕНИЯ СТАНКА
В ЭЭП станках главным исполнительным механизмом является привод подачи электрода-инструмента (ЭИ). Передача движения от электродвигателя к ЭИ может осуществляться различными вариантами: реечной передачей, винтовой передачей или дифференциальной передачей.
Электромеханический привод: ходовой винт получает вращательное движение через редуктор от электрического двигателя постоянного тока. Вращение ходового винта 1 происходит в гайке, которая закрепляется в шпинделе. Шпиндель получает возвратно-поступательное движение тем самым, выполняя подвод ЭИ, а после окончания обработки отвод ЭИ. Опорами для шпинделя служат подшипники.
Электрогидравлический привод: для того чтобы поршень двигался в режиме колебаний соленоид с обмотками включается в сеть переменного тока. Соленоид управляет движением поршневого золотника. Золотник реагирует на изменение межэлектродного пространства между ЭИ и обрабатываемой деталью, когда получает сигнал на обмотке соленоида сигнал, золотник перемещается, и поршень связанный с золотником перемещается в цилиндре.
С точки зрения быстродействия системы и стабильности подач электрогидравлический привод предпочтительнее. Кроме того, такой тип привода способен создавать достаточно большие усилия при обработке. С точки зрения точности обработки электрогидравлический привод также имеет лучший результат по сравнению с электромеханическим приводом. Объясняется это устранением люфта. Однако электрический гидропривод имеет большие размеры и вес. Стоимость этого привода довольно высокая.
ШПИНДЕЛЬНЫЕ УЗЛЫ
В качестве шпинделя у ЭЭП станков служит прошивочная головка (рис. 5). Прошивочная головка придает ЭИ рабочие движения. Шпиндель 2 станка размещается в корпусе 8. Шпиндель приводится в движение редуктором 6 с электродвигателем. Для того чтобы шпиндель 2 начал осуществлять рабочее движение задействуется гидроцилиндр 3. Опорами для шпинделя 2 служат гидростатические направляющие 1. Стяжка 9 соединяет корпус 8 и переходную плиту 10. Стяжка 9 предохраняет шпиндель 2 от поворота. Сквозь полый шпиндель 2 проходит вал 4. После того как обработка окончена, шпиндель 2 тормозится. Для процесса торможения используется гидротормоз 5. Управление рабочими движениями шпинделя 2 осуществляется через гидропанель 7. Режимы обработки задаются программой.
Рисунок 5 – Конструкция прошивочной головки ЭЭ станка
СИСТЕМА ПОДАЧИ И РЕГЕНЕРАЦИИ РАБОЧЕЙ ЖИДКОСТИ
Электроэрозионное разрушение осуществляется в рабочей среде, которая подаётся в МЭП. Поэтому каждый ЭЭП станок оснащен системой подачи рабочей жидкости (РЖ) в МЭП (рис. 6). Так как в процессе обработки происходит загрязнение РЖ то в компоновку станка входит и система регенерации РЖ. В ЭЭП станках обычно эти две системы объединены.
Рисунок 6 - Система подачи и регенерации РЖ
РЖ из емкости 1 подается гидронасосом 2. Регулирование подачи РЖ в зону обработки осуществляется манометром 3. Поток РЖ проходит через систему фильтрации4. Поток РЖ проходит гидрораспределитель 5. При превышении требуемого давления открывается вентиль 6 и часть РЖ сбрасывается в гидроприемник 7. РЖ, имеющая требуемую скорость и давление, которые контролируются манометром и ротаметром 8, направляется либо через кран 10 в рабочую ванну 13, либо через кран 9 через полый ЭИ 11. Обрабатываемая деталь 12 находится в рабочей ванне 13. Для регенерации РЖ сливается из рабочей ванны 13 через слив 14.
НЕСУЩАЯ СИСТЕМА СТАНКА
Станина ЭЭП станков для выполнения своих функций, а именно для монтажа электрических агрегатов, должна не только придавать конструкции устойчивость, но и отличаться повышенной жесткостью. Станина ЭЭП станков выполнена в виде коробки. Наиболее ответственные части станины (каретка барабана, креплениях колонны, направляющие стола) подвергаются шабрению и полированию.
Для изготовления станины используются материалы, обладающие высокой прочностью и имеющие небольшой коэффициент теплового расширения. Изначально для изготовления станины ЭЭП станка применялся особый вид чугуна - высокопрочный. В настоящее время производительность станков резко возрастает и соответственно увеличиваются усилия при ЭЭ обработке, а это в свою очередь приводит к увеличению нагрузки и повышению термического воздействия на станину.
Высокопрочный чугун перестал удовлетворять производителей ЭЭП станков, и многие компании применяют для изготовления станин другие материалы. Так станки компании «EXERON» (Германия) отличаются станиной, выполненной из минерального литья, а станки компании «Maurgan» (Тайвань) имеют станину из полимербетона.
ТИПИЧНЫЕ ПРЕДСТАВИТЕЛИ
Стоимость лучших образцов электроэрозионных станков и жесткая конкуренция заставляют производителей постоянно совершенствовать конструкцию, расширять технологические возможности, повышать надежность станков и удобство их управления. Рассмотрим технические характеристики ЭЭП станков последнего поколения ведущих производителей в нашей стране и за рубежом.
Таблица 6 – Техническая характеристика ЭЭП станков последнего поколения
