К.т.н. Шаров Г.А.

ФГБОУ ВПО Уфимский государственный авиационный технический университет

Повышение экологичности процесса электро-эрозионной обработки металлов

Все физические процессы, сопутствующие ЭЭО, протекают в межэлектродном пространстве, заполненном рабочей средой. Последняя, находясь в рабочей зоне, оказывает на электроэрозионный процесс, электроды и продукты эрозии физическое, химическое, моющее и механическое воздействие. Это влияние оказывается на всех стадиях электро-эрозионного процесса обработки металлов.

На стадии формирования пробоя межэлектродного промежутка сказывается диэлектрическая прочность рабочей среды и ее вязкость. Вязкость определяет время формирования токопроводных частиц в «мостик», по которому происходит пробой рабочей среды.

На стадии электрического разряда, когда происходит съем металла, протекают процессы разложения рабочей среды, окисления, полимеризации и конденсации углеводородов, накапливаются смолистые и асфальтовые сгустки (шлам), коллоидальный кокс-сажа, различные соли, кислоты, частицы обрабатываемого материала и графитового ЭИ. Испаряясь с поверхности электродов, химические элементы рабочей среды под действием разряда вступают в соединения с окисными пленками, покрывающими электроды, и образуют новые химические элементы. Эти новые образования имеют различную прочность, термостойкость и электрическую активность, изменяют тепловой баланс разряда, что сказывается на скоростях удаления материала с детали и эрозионном износе ЭИ. На поверхности ЭИ происходит образование защитных пленок. Все это во многом определяется физико-химическими свойствами рабочей среды.

На следующей стадии, когда происходит удаление продуктов эрозии и продуктов распада из зоны разряда, особое значение имеет вязкость рабочей среды. С увеличением вязкости степень захвата продуктов эрозии увеличивается и процесс удаления их улучшается. Однако, если межэлектродный зазор мал, то движение вязкой рабочей среды затруднено и процесс удаления ухудшается.

Одновременно рабочая среда осуществляет охлаждение рабочей зоны и предотвращает оплавление поверхности электродов.

В качестве основных определяющих технико-экономических характеристик рабочей среды, с учетом ее экологичности, выделим следующие – 1) вязкость; 2) электрическую прочность; 3) температуру вспышки;4) охлаждающую способность; 5) испаряемость; 6) химическую агрессивность; 7) токсичность;

8) фильтруемость; 9) стоимость.

На электроимпульсных станках чаще всего используются углеводородные среды, они представляют собой сложные соединения, включающие различные углеводороды, асфальтосмолистые вещества, сернистые соединения и кислоты.

Из вышеперечисленных основных требований следует, что углеводородные среды должны иметь минимум сернистых соединений, так как они образуют ядовитый газ, органических кислот, так как они раздражают кожу, корродируют детали станка и снижают электрическую прочность рабочей среды, асфальтосмолистых веществ и ароматических углеводородов, так как они ухудшают фильтруемость, охлаждающую способность и при разложении образуют ядовитые газы.

Помимо углеводородных сред при ЭЭО в качестве рабочей среды используется вода, которая имеет ряд преимуществ. В воде растворяется большое количество различных веществ, образуются коллоидные растворы и суспензии. Вода дешевле углеводородных сред и обладает большой теплоемкостью. Могут использоваться эмульсолы, применяемые при механической обработке. Основу эмульсолов составляет вода, минеральное индустриальное масло (марок ИС-12 и ИС-20), а в качестве добавок вводят поверхностно-активные вещества. Каустическая сода, этиловый спирт и другие компоненты эмульсолов выполняют ту же роль, что и при механической обработке, т.е. оказывают охлаждающее, смазочное и моющее воздействие. При электроконтактной обработке в качестве рабочей среды иногда используется воздух, который от нагрева не меняет своего агрегатного состояния и химического состава. Воздух в зону обработки, как правило, подается под давлением. Он выдувает из зоны обработки продукты эрозии, переводя их из расплава за счет охлаждения в твердые частицы.

Жидкие рабочие среды из бака в ванну станка подаются центробежными насосами, которые наименее подвержены износу (жидкость загрязнена). Обычно применяют центробежные помпы общепромышленного назначения типов ПА-22, ПА-45, П-90, П-180, обеспечивающие объемный расход рабочей среды от 25 до 200 л/мин при давлениях 0,04-0.063 МПа.

Для прокачки или отсоса рабочей среды через электроды применяют насосы с малым объемным расходом, но обеспечивающие большое давление. Это обычно шестеренчатые насосы типов Г-11-22А(25А), БГ-11-22А(25А), ДБГ-11-22А(25А) обеспечивающие от 18 до 133 л/мин при номинальном давлении на выходе до 25МПа и минус 0,02МПа на входе. Хорошие результаты показывает и применение специальных износостойких насосов типа АХИ-3/40 и АХИ-3/80 с большей производительностью и обеспечивающие нормальную работу при повышении вязкости рабочей жидкости до 30·10^-6 м² /с.

Для прокачки или отсоса рабочей среды через электроды применяют насосы с малым объемным расходом, но обеспечивающие большое давление. Это обычно шестеренчатые насосы типов Г-11-22А(25А), БГ-11-22А(25А), ДБГ-11-22А(25А) обеспечивающие от 18 до 133 л/мин при номинальном давлении на выходе до 25МПа и минус 0,02МПа на входе. Разработаны и специальные износостойкие насосы типов АХИ-3/40 и АХИ-3/80 с большей производительностью и обеспечивающие нормальную работу при повышении вязкости рабочей жидкости до 30·10^-6 м² /с.

Расход рабочей среды определяется конструкцией станка и его типа. Расход рабочей среды при прокачке или отсосе ее через электрод зависит от режима ЭЭО и глубины внедрения ЭИ. При грубых режимах и большой глубине внедрения ЭИ в обрабатываемую заготовку расход должен увеличиваться.

Об отработанности рабочей среды судят по увеличению ее вязкости и кислотности. Рабочие среды с большим кислотным числом органами охраны труда запрещается использовать, так как они вызывают раздражение кожи.

Как ранее отмечалось, вязкость рабочей среды является одним из основных параметров, определяющих условие удаления продуктов эрозии из зоны обработки. С увеличением вязкости рабочей среды степень захвата частиц (продуктов эрозии) улучшается, а также улучшается и их удаление из рабочей зоны. Однако при малых межэлектродных зазорах движение вязкой рабочей среды затруднено. В рабочей зоне скапливаются продукты (эрозии, что приводит к возникновению дуговых разрядов большей длительности и к дефектам ЭЭО.

Чтобы избежать нарушения процесса ЭЭО на чистовых режимах, когда необходимо получить шероховатость поверхности не выше Rz = 80 мкм, следует использовать рабочие среды малой вязкости, так как межэлектродный зазор мал Кинематическая вязкость среды, измеренная при температуре 20 °С, должна быть не выше (1,8-1,3)·10^-6 м²/с (измерение кинематической вязкости производится прибором — вязкозиметром). На черновых режимах эффективны среды, имеющие кинематическую вязкость (5-6)·10^-6 м²/с.

Чтобы поддержать работоспособность рабочей среды более длительное время и обеспечить стабильность технологических параметров ЭЭО без частой замены рабочей среды, используют различные средства очистки ее в процессе работы.

Для предварительной очистки рабочей среды (при сливе ее из ванны станка) применяются фильтр - грязеприемники, установленные на станке и выполненные в виде матов из различных пористых материалов (стекловаты, поролона и т. д.), а также применяются отстойники, в которых тяжелые и крупные частицы выпадают в осадок на дно бака. Могут использоваться для предварительной очистки магнитные фильтры, сепараторы, центрифуги и другие устройства.

Фильтрование осуществляется с помощью пористой перегородки, пропускающей жидкую фазу и задерживающей взвешенные твердые частицы. Суспензия шлама в электролите чрезвычайно плохо фильтруется. Это объясняется аморфным, хлопьевидным характером частиц гидроокиси металлов и пастообразной консистенцией влажного шлама, что приводит к забиванию фильтрующей поверхности и быстрому снижению скорости фильтрования.

Поэтому требуются непрерывная очистка и регенерация фильтрующих элементов. В силу указанных причин для очистки электролита от шлама могут применяться только фильтры непрерывного действия (вакуум-фильтр или пресс-фильтр с наружной фильтрующей поверхностью).

Основным преимуществом фильтров непрерывного действия является: низкая влажность получаемого шлама, высокая производительность по электролиту. Однако, указанные фильтры являются относительно сложным и, громоздким агрегатом, причем требуется наличие специальных дополнительных систем для регенерации фильтрующей ткани. Подобные фильтры целесообразны при централизованной системе подачи и очистки электролита, обслуживающей электрохимический участок.

В промышленности применяется два типа систем очистки электролита индивидуальные, в которых агрегат очистки в составе УПЭ обслуживает отдельный электрохимический станок, и централизованные, когда один агрегат очистки обслуживает одновременно несколько станков.

На станках средних и больших типоразмеров для очистки рабочей среды в последнее время стали применять намывные фильтры. Отличительной особенностью намывного фильтра является применение фильтрующих веществ, состоящих из мелких пористых частиц с большой активной поверхностью, на которой осаждаются загрязнения. В качестве фильтрующих веществ наибольшее применение получил фильтр перлит. Намывные фильтры обеспечивают отсев частиц с размером до 5—10 мкм, а полноту отсева — до 40—60%.

Для станков малых и средних типоразмеров с величиной съема металла до 400 г в смену применяются фильтры с бумажными фильтрующими элементами. Эти фильтры обеспечивают отсев частиц размерами 3—5 мкм, а полноту отсева до 90%.

В настоящее время станок 4Д721 оснащаются фильтрами ТФ-4, в которых установлены тканевые фильтрующие элементы с отсевом частиц размерами 5-8 мкм. Станки моделей 4Г721М и 4Д722В оснащены фильтрами типа ЭФКП - 1 с отсевом частиц размерами 15-25 мкм.

Промышленностью серийно выпускаются фильтры тонкой очистки типа ПЧ-2Ф с бумажными фильтрующими элементами. Эти фильтры применяются для очистки рабочих сред, имеющих кинематическую вязкость до 5 - Ю - 6 м²/с (керосин, сырьё углеводородное и т. д).

Фильтры ПЧ - 2Ф могут быть установлены на станках моделей 4Г721М, 4Д722В и т. д. В зависимости от величины съема на станке рекомендуется устанавливать блок из нескольких параллельно соединенных фильтров: при съеме до 10 г в смену – один фильтр, до 75 г в смену – два; до 150 г в смену – три, до 225 г в смену – четыре, до 300 г в смену – пять, до 400 г в смену – шесть фильтров. В этом случае достигаются оптимальные сроки замены фильтрующих элементов.

Увеличение длительности использования рабочих сред способствует уменьшению их отходов и способствует улучшению экологичности процесса электроэрозионной обработки металлов.