Разряды “Гризли” или супер дрель

    В этой статье хочу рассказать об электрических разрядах, которые способны грызть различные металлы и стали. Речь пойдет в основном про электроэрозионную обработку.


    Предположу, что большинство из вас знакомо с электродуговой сваркой и принципами работы этого технологического процесса. Похожий принцип лежит в основе электроэрозионной обработки, создаваемой электрическим разрядом, переходящим в дугу между двумя электродами. Если при сварке дуга должна гореть постоянно для получения наиболее качественного и ровного шва, то при эрозионной обработке эта дуга прерывается с некой частотой. В начальный момент каждого пробоя происходит вырывание части металла с поверхности обрабатываемого материала. Процесс представляет собой разрушение металла или иного токопроводящего материала в результате локального воздействия кратковременных электрических разрядов между двумя электродами, один из которых является обрабатываемой деталью, а другой – электродом-инструментом. Под воздействием высоких температур в зоне разряда происходит нагрев, расплавление и частичное испарение металла. Интенсивность вгрызания зависит от мощности импульсов, вкладываемых в разряды, которые в свою очередь зависят от характеристик источника питания, ширины импульса и паузы, за время которой разряд должен успеть затухнуть.



    Еще следует отметить такой немаловажный параметр как: межэлектродное расстояние, которое варьируется в пределах нескольких микрометров. При длительной обработке межэлектродное расстояние должно поддерживаться постоянным и за это отвечает система позиционирования координат (применительно к чпу станкам). Разряд поджигается самостоятельно при достаточном для этого зазоре и напряжении (амплитуды импульсов). Этот зазор нельзя сводить к нулю, так как это чревато коротким замыканием и процесс обработки будет приостановлен или затянут по времени.



    Все процессы электро-эрозии протекают в жидкой среде. Чаще всего применяют обыкновенную водопроводную воду либо керосин для наиболее ответственных деталей. Используемая жидкость служит в основном для отвода тепла и шлама из зоны воздействия импульсов, поэтому ее дополнительно прогоняют через ряд фильтров, очищая от продуктов реакции, таких как оксиды обрабатываемого металла и электрода – инструмента, так как последний тоже разрушается.

    Существует ряд разновидностей электроэрозионной обработки: проволочная вырезка, копирование, фрезерование, прошивка отверстий, легирование. Электроэрозионная обработка применяется при изготовлении большого количества классов деталей: матриц штампов, полостей пресс-форм и литейных форм, фильер деталей машин, твердосплавных профилированных резцов и других.

    Теперь давайте перейдем к практической части.

    Я не я, если бы не попробовал сделать самостоятельно прототип генератор импульсов, хотя бы в простом исполнении.

    Сам по себе генератор бесполезен, так как он должен входить в состав какой- либо технологической машины для эрозионной обработки. В связи с этим было решено сделать подобие эрозионного прошивного станка, так как от одного из прошлых проектов у меня осталась механическая часть, представляющая из себя основание с вертикально перемещающейся консольной траверсой.

    Единственное что я изменил в ней, так это поменял привод на шаговый двигатель с энкодером и соединил вал двигателя с винтом ременной зубчатой передачи.



    Управление шаговым двигателем осуществляется через китайскую программу (WireCut) для управления эрозионным вырезным станком. Эту программу в основном ставят китайцы на свои электроэрозионные станки, у нас в России ее тоже много кто устанавливает в качестве модернизации старых станков. Она идет в комплекте вместе с платой расширения AutoCut. На этом особо останавливаться не хочу, так как это сильно может раздуть статью. Помимо этого, программуля — так себе, но работать с ней можно.

    За основу источника импульсов взял блок питания постоянного напряжения на 90В 20А. Потом надо перевести это напряжение в импульсы. Из самого простого, что мне пришло в голову – это взять ардуинку и подцепить к ней драйвер нижнего или верхнего ключа с силовым транзистором. Можно конечно использовать специальную ШИМ микросхему, но так как я подумывал в последующем несколько расширить функционал, то остановился все же на микроконтроллере.

    Итак, что же за импульсы нам нужны? А нужны нам импульсы в виде меандра с постоянной частотой до 30 кГц и с возможностью менять ширину импульса.



    Для изменения ширины импульса, я подцепил к контроллеру переменный резистор на 10кОм, который изменяет скважность от 0 до 50%, частоту установил статическую, начал с 20 кГц.



    Дополнительно вывел на дисплей основные данные, то есть ширину импульса в микросекундах и скважность в процентах. Развел небольшую платку и изготовил ее на своем маленьком чпу станке. Опыта у меня в этих делах немного, но все же получилось довольно хорошо.

    После распайки платы настал черед все соединить в единое целое:



    Для контроля тока в цепь встроил амперметр, по нему буду отслеживать потребление тока в процессе обработки.

    Плюсовой провод соединил с рабочим электродом, в качестве которого применил кусок медной проволоки диаметром 1,5 мм, то есть прошивать будем отверстие.

    Минусовой провод от блока питания подключил через плату генератора и прикрепил к жертвенной металлической детали, которую предстоит дырявить.

    Деталь представляет собой фланец, изготовленный из стали марки 40Х толщиной 5мм.
    Разумеется, что такую технологию лучше использовать для обработки более прочного металла.

    Фланец поместил в герметичный пластиковый контейнер наполненный водопроводной водой объемом 1 литр. Вода в ходе работы не циркулировала и никак, не очищалась.



    После всех подсоединений, настал черед все включить и проверить работоспособность. Первым делом включил генератор и установил уровень ШИМ в 0%. Далее включил силовой блок питания и потихоньку начал прибавлять скважность. На рабочем электроде начали выделяться мелкие пузырьки кислорода. В ручном режиме подвел электрод к детали до появления первой искры, после чего запустил автоматическое опускание электрода со скоростью 1мкм/сек при ширине импульса в 1,5 мкс. Это дало слабенькие импульсы и быстро привело к короткому замыканию. В дальнейших попытках стал увеличивать ширину импульсов, до тех пор, пока при автоматическом опускании электрода не возникало постоянного искрения без “затыков”.

    Остановился на ширине импульса 5 мкс при частоте 20 кГц. Дальнейшее увеличение ширины импульса приводит к более мощным импульсам и возрастанию тока, что перегревало мой балластный резистор и силовые транзисторы.



    Снижение частоты дало лучшие результаты в связи с увеличением ширины паузы. Это позволило увеличить скорость опускания электрода до 5мкм/с, разряды стали стабильными, а ток увеличился до 6А. Сделал несколько сквозных отверстий, “сверловка” длилась в среднем мин 15, в зависимости от “затыков” в начале обработки и на выходе из отверстия.


    Подводя итоги можно сказать, что данная упрощенная конструкция (прототип) генератора импульсов работает. Схема генератора далека от идеала и планируется ее усовершенствование параллельно с добавлением новых режимов генерации импульсов.

    Данная статья не претендует на истинность всего изложенного, так как существует много нюансов, которые в ней возможно не раскрыты.

    Все мы художники и видим по-разному.

    Спасибо за внимание!
    AdBlock похитил этот баннер, но баннеры не зубы — отрастут

    Подробнее
    Реклама

    Комментарии 35

      +7
      Наконец то про электроэррозию на хабре.
        +1
        А вам бы было интересно почитать ещё статьи про электроэрозию на хабре?
          +1
          Не понял почему именно ко мне вопрос. Многим интересно, полагаю. Именно в плане DIY. По теории то книжки есть, советские не плохие. А вот реализаций с подробностями мало. Направлений совершенствования много:
          — энергосбережение (отказ от RC)
          — скорость реза (наверно самый важный показатель)
          — точность
          — фильтрация жидкости.

          Так что творите и пишите.
            0

            Да

          0
          Читал работу, что ультразвуковые колебания проволоки по вертикали, улушают вынос продуктов эррозии из рабочей зоны.
            +1
            А почему бы и нет, будет возможность обязательно попробую.
            0
              0
              А что в рабочей зоне происходит с жидкостью? проиходит ли разложение на кислород и водород? (ну вдруг)
              Давным давно на хабре была статья «Может ли вода гореть» (или можно ли поджечь океан, как то так), вспомнилось по теме, там тоже были разряды, кавитация, и прочая чертовщина)
                0
                В рабочей зоне жидкость является изолятором между двумя электродами и упрощённо происходит локальный пробой диэлектрика каждые несколько микросекунд. Взаимодействие происходит в крайне малой области и кратковременно (размеры сравнимые с размерами микроструктуры металлов) поэтому все эффекты разложения и кавитации в жидкости очень незначительны, но да и разложение и кавитация может происходить. Если в качестве рабочей жидкости используется смесь керосина и масла то обычно во время работы виден небольшой дымок вокруг электрода, электрод если что при работе холодный или слегка тёплый
                0
                От полярности импульса зависит какой электрод больше разрушается. Обычно полярность постоянна.

                Если изменять полярность во время резания, могут быть интересные эффекты.

                Например, две круглых заготовки равномерно вращаются и приближаются.

                Полярность импульса будем изменять десять раз за оборот — получим две шестерни с эвольвентным профилем зуба.
                  +1

                  Очень интересно! Может есть какой-то видос, где наглядно процесс показан (погуглил бы и сам, но не особо понимаю, по какому запросу))

                    0
                    погуглил бы и сам, но не особо понимаю, по какому запросу

                    Конкретно про шестерни вряд ли найдем кино.

                    Есть близкое про квадратные отверстия на токарном станке.

                    Если про эрозионную обработку, то износ электродов зависит от полярности – с этим никто не спорит.

                    Если механически представить, электрод как бы становится больше и давит на соседа. Так они друг друга и улучшают.

                    Эвольвентный профиль зуба применяют для равномерного вращения шестерен. Мы задаем равномерное вращение и ничего кроме эвольвенты получиться не может.

                    Если еще вспомнить что одну гипоидную шестерню могут на пяти координатном целую смену обрабатывают, то это еще больше добавляет привлекательности методу.

                    Цилиндрические одинаковые шестерни — это только начало. Последовательно закрывая вопросы, можно научиться в гараже или на балконе гипоидные передачи на автомобиль вырезать.

                    Если вернуться к электродам и токарному станку. Можно все это представить, как вибрацию резца или сверла. Если вибрация хаотична – такой же будет и результат. Для квадратного отверстия на токарном создают контролируемую вибрацию. Создавая другую вибрацию, можно и шестерню получить.
                  0

                  Планируете ли провести серьёзные испытания? Например, как влияют размер и материал электродов, ток, напряжение на скорость обработки и размер отверстия?
                  Очень было бы интересно почитать про электроэррозионное легирование, может, у вас есть в планах?
                  З.Ы. Простейший аквариумный насос (и фильтр к нему) и подача воды в область обработки не решит (за три копейки) вопрос с циркуляцией воды?

                    +1

                    Элементарный китайский электроэрозионный экстрактор для выжигания сломанных метчиков именно от аквариумной помпы и работает.

                    0
                    В схеме, где БП замыкается через ключ на контакт, нет никакого ограничителя тока. В такой цепи величина тока непредсказуемо меняется, в зависмости от паразитных сопротивлений.
                    В тексте упомянут некий балластный резистор, который греется. Наверное, он и выполняет роль ограничителя тока. Так вот, хорошо было бы отобразить этот резистор на схеме.
                      0
                      В качестве электрода логичней было бы взять электрод для TIG сварки из вольфрама, они в подобном режиме работают штатно и разрушаются гораздо медленней. Купить можно поштучно на али.
                      А скорость подачи надо делать в зависимости от тока импульса. По мере приближения к заготовке ток будет расти, далее с помощью ПИД задаем скорость погружения и удерживаем амплитуду тока на выбранном уровне.
                        0
                        По большей части так и делал, единственное надо подобрать оптимальный режим. А для этого надо регулировать несколько переменных, таких как: частота, ширина импульса, скорость подачи.

                        Еще планирую добавить режим при котором импульсы будут подаваться пачками…
                        0
                        Про влияние на глаза можете упомянуть?
                          0
                          Можно и про глаза упомянуть. Если не пытаться рассмотреть процесс образования разряда и на довольно долгом промежутке времени, то с глазами все будет хорошо.
                          Разряды/искрение (основную их часть) видно только на входе и выходе из детали.
                          Тем более весь процесс происходит в жидкой следе, которая притупляет все излучения от искрения, если конечно так можно выразиться.
                          0
                          странный выбор силовых транзисторов, мне кажется, хватило бы одного IRFP4227PBF или аналогичного с малым сопротивлением канала в открытом состоянии.
                            0
                            Силовые транзисторы стоят не дешево, особенно если использовать их в таких экспериментах. Те транзисторы у меня просто были в наличии, их когда то много заказывал, остались, вот и применил.
                            Но ваш предложенный вариант тоже хорош.
                            А вообще планирую на транзисторы IGBT перейти.
                              0
                              IGBT целесообразно применять при больших рабочих напряжениях, 200в и выше
                            0

                            Не так давно смотрел на youtube видео с более серьёзным станком для такого же сверления: https://www.youtube.com/watch?v=rpHYBz7ToII

                              0
                              Уже была такая ссылка. И я давно видел это видео. В этом видео использовали готовый генератор BAXEDM — у них тоже есть свой канал на youtube и сайт, занимаются как раз производством генераторов для эрозионной обработки.
                              0
                              а таким образом можно стравливать фольгу с текстолита вместо использования фрезы? если можно, то будет аккуратнее, так как текстолит не будет срезаться.
                              0
                              Итак, что же за импульсы нам нужны? А нужны нам импульсы в виде меандра с постоянной частотой до 30 кГц и с возможностью менять ширину импульса.

                              Меандр — это сигнал со скважностью два. Как только вы начинаете менять ширину импульса — это уже не меандр.
                                0
                                иметь такой станочек в хозяйстве — мечта любого самодельщика
                                но пока дешевых конструкций не придумал
                                  0
                                  … и безопасных.
                                  90В как у автора повышают шанс сократить популяцию самодельщиков.
                                    0
                                    20 кгц — это не постоянка и не 50гц. Даже не почувствуешь, просто дырка в пальце будет. Ничего страшного, обычный ожог, сразу же продезинфицированный дугой. Не ссы, я 1000 раз так делал.
                                  +2
                                  Эх, а ведь я по диплому инженер по электроэрозионной обработке… Давно это было… Небольшие комментарии к посту, хоть и с приличным запозданием:
                                  Все процессы электро-эрозии протекают в жидкой среде. Чаще всего применяют обыкновенную водопроводную воду либо керосин для наиболее ответственных деталей

                                  Среда в которой происходит обработка привязывается к характеристикам генератора импульсов а не к точности и чистоте обработки поверхностей детали. Одинаковые точность и чистоту можно получить как при обработке в воде, так и в керосине и как правило данный конкретный абстрактный ЭЭ станок работает только с рабочей жидкостью одного типа и под неё и подбираются все заводские вшитые программы обработки. Также замечу, что воду лучше брать деионизированную, а не водопроводную, так как от неё требуется постоянное заранее известное значение электропроводности, а керосин сейчас применяется весьма редко, будучи заменён на фирменные промышленные смеси керосина и масла с пакетом присадок.
                                  Вода в ходе работы не циркулировала и никак, не очищалась

                                  На самом деле именно так и работали старые советские ЭЭ станки: без циркуляции рабочей жидкости, вольфрамовыми электродами по твердосплаву в керосине. В всём современном ЭЭ оборудовании предусмотрена система очистки межэлектродного зазора от шлама периодическим (раз в несколько секунд) полным или частичным отводом электрода от детали. В качестве электродов используется медь, латунь, вольфрам в зависимости от материала детали.
                                    +1
                                    Очень не хватает добавления комментариев в закладки!
                                      +1
                                      А так не подойдёт?

                                      0
                                      Каковы все же хоть примерные режимы работы (импульсов) современных станков?
                                      Хотелось бы разобраться какие импульсы лучше: постоянные, переменные или совмещенный режим?
                                      +1
                                      На сколько понимаю.
                                      1. Используют как минимум обессоленную воду, чтобы не было электролиза. Керосин как изолятор лучшеЕ.
                                      2. Для художественной эрроизии используют и графит, нагрузки и разрушения электрода минимальны, нужна возможность легкой обработки «матрицы». Режут латунной проволокой
                                      3. По теме есть неплохая подборка на чипмейкере — да не забанят меня админы — это не хуже ссылок на ютьюб.

                                      Только полноправные пользователи могут оставлять комментарии. Войдите, пожалуйста.

                                      Самое читаемое