Электроэрозионно-электрохимическая обработка. Высокопроизводительное получение отверстий малого диаметра

 
 
 
 
 
А. Н. Зайцев 
 
 
 
 
 
ЭЛЕКТРОЭРОЗИОННО-ЭЛЕКТРОХИМИЧЕСКАЯ 
ОБРАБОТКА 
ВЫСОКОПРОИЗВОДИТЕЛЬНОЕ ПОЛУЧЕНИЕ 
ОТВЕРСТИЙ МАЛОГО ДИАМЕТРА 
 
 
Монография 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
Москва    Вологда 
«Инфра-Инженерия» 
2023 
1 

УДК 621.9.047/.048 
ББК 34.5 
З-17 
 
Рецензенты: 
д. т. н., профессор, директор ООО «Головной аттестационный центр РБ»  
Атрощенко Валерий Владимирович; 
д. ф.-м. н., профессор, профессор кафедры ВМиК ФГБОУ ВО «Уфимский  
университет науки и технологий» Шерыхалина Наталья Михайловна 
 
 
Зайцев, А. Н. 
З-17  
Электроэрозионно-электрохимическая обработка. Высокопроизводительное получение отверстий малого диаметра : монография / А. Н. Зайцев. – Москва ; Вологда : Инфра-Инженерия, 2023. – 236 с. : ил., табл. 
ISBN 978-5-9729-1500-2  
 
Приведены данные теоретического и экспериментального исследования процесса совмещенной электроэрозионно-электрохимической обработки (ЭЭХО). Особое 
внимание уделено технологии высокопроизводительного получения отверстий малого 
диаметра, рассмотрены особенности многокоординатной ЭЭХО непрофилированными 
электрод-инструментами.  Сформулированы рекомендации по расширению технологических возможностей и оптимизации процесса ЭЭХО.  
Для научных работников и инженерно-технических специалистов, работающих 
в области электроэрозионной и электрохимической обработки и занимающихся вопросами практического освоения и развития данных процессов. Может представлять интерес для студентов, изучающих курс «Машины и технологии высокоэффективных процессов обработки» по направлению подготовки бакалавров 15.03.01 «Машиностроение» в высших технических учебных заведениях. 
 
This paper presents findings of theoretical and experimental study of combined electrochemical discharge machining (ECDM) with a particular focus on producing high-precision small-diameter holes. It contains recommendations for enhancing technological capabilities and optimizing the ECDM process. 
The paper is addressed to researchers and specialists in electrochemical discharge machining, dealing with practical mastering and development of the process. It might also be of 
interest to students taking the Machine Tools for High Performance Machining course at 
higher technical educational institutions. 
 
УДК 621.9.047/.048 
ББК 34.5 
 
 
 
ISBN 978-5-9729-1500-2 
© Зайцев А. Н., 2023 
 
© Издательство «Инфра-Инженерия», 2023 
 
© Оформление. Издательство «Инфра-Инженерия», 2023 
 
2 

ОБОЗНАЧЕНИЯ, СОКРАЩЕНИЯ,  
РАЗМЕРНОСТИ ОСНОВНЫХ ВЕЛИЧИН 
 
Электрические 
Um – напряжение на электродах среднее, В; 
UA – напряжение на электродах амплитудное, В; 
Ue – напряжение на предпробойной (электрохимической) стадии импульса, В; 
Ud – напряжение горения дуги, В; 
E – напряженность электрического поля, В/м; 
I, i – технологический ток, А; 
IA – амплитудное значение электрического тока в импульсе, А; 
Id – ток на разрядной стадии импульса, А; 
Ie – ток на электрохимической стадии импульса, А; 
Im – средний технологический ток, А; 
J, j – плотность тока, А/м2; 
W – энергия, Дж; 
N – мощность, Вт; 
L – индуктивность, Гн; 
R – сопротивление электрическое (активное), Ом; 
C – емкость, Ф; 
f – частота следования импульсов, Гц; 
q – скважность; 
t, τ – время, с; 
tf – длительность переднего фронта импульса, с; 
tb – длительность заднего фронта импульса, с; 
te – время запаздывания пробоя, с; 
td – длительность разрядного тока, с; 
tp – длительность паузы между импульсами напряжения, с; 
tU – длительность импульса напряжения, с; 
TU – период следования импульсов напряжения, с; 
Q – заряд, Кл. 
 
Электрохимические 
ϕа – потенциал анодный, В; 
ϕк – потенциал катодный, В; 
ηa – коэффициент выхода по току (анодный); 
ηk – коэффициент выхода по току (катодный); 
FФ – постоянная Фарадея, Кл/моль; 
αa – химический эквивалент металла (анода), кг/моль; 
ε – электрохимический эквивалент, кг/А·с; 
Vа – скорость анодного растворения, м/с; 
ߤு – молярная масса водорода, кг/моль; 
cG – объемная концентрация газовой фазы; 
υe – электропроводность электролита удельная. См/м; 
αT – температурный коэффициент электролита, 1/К. 
 
 
3 

Геометрические 
ss – зазор межэлектродный боковой, м; 
sf – зазор межэлектродный торцевой, м; 
hh – глубина отверстия, м; 
hc – глубина эрозионной лунки, м; 
dt – диаметр электрода-инструмента, м; 
dh – диаметр отверстия, м; 
rt – радиус электрода-инструмента, м; 
dc – диаметр эрозионной лунки, м; 
lt – длина рабочей части электрод-инструмента, м; 
Vc – объем эрозионной лунки, м3; 
A – площадь, м2. 
 
Технологические 
Vt – скорость подачи электрод-инструмента, м/с; 
VM – максимально допустимая скорость подачи электрод-инструмента, м/с; 
TM – длительность обработки машинное (tW + tK), с; 
TW – длительность перехода электроэрозионно-химической прошивки, с; 
TK – длительность перехода электрохимической калибровки, с; 
hd – глубина измененного слоя, м; 
γt – износ электрода-инструмента, относительный, линейный, %; 
Δlt – износ электрода-инструмента, абсолютный, линейный, м; 
Δmt – износ электрода-инструмента, абсолютный, весовой, кг; 
Qw – производительность обработки, м3/с; 
Δsw – погрешность размера на стадии прошивки, абсолютная, м; 
Δsk – погрешность размера на стадии калибровки, абсолютная, м. 
 
Гидравлические/Теплофизические/Механические 
μe – вязкость электролита динамическая, Н·с/м2; 
κe – вязкость электролита кинематическая, м2/с; 
ρe – плотность электролита, кг/м3; 
ρm – плотность обрабатываемого материала, кг/м3; 
Pe – давление электролита, Н/м2; 
Ve – скорость протекания электролита, м/с; 
Qe – расход электролита объемный, м3/с; 
ce – концентрация электролита массовая, %; 
Te – температура электролита, К; 
m – масса, кг; 
Et – модуль нормальной упругости (модуль Юнга), Н/м2; 
Jt – момент инерции, кг·м2; 
RG – универсальная газовая постоянная. Дж/моль·К; 
λT – коэффициент теплопроводности, Вт/(м·град); 
αT – коэффициент температуропроводности, м2/с; 
cP – теплоемкость электролита удельная, кДж/(кг K). 
 
 
 
4 

Индексы 
A – амплитудный; 
a – анодный; 
k – катодный; 
p – пауза; 
m – средний; 
e – электролит, электрохимический; 
d – дуговой, разрядный, электроэрозионный; 
w – обработка; 
t – инструмент; 
h – отверстие; 
c – эрозионная лунка/кратер; 
s – боковой; 
G – газ; 
T – температура; 
f – фронт импульса, торец ЭИ; 
dl – двойной электрический слой. 
 
Сокращения 
ЭХО – электрохимическая обработка; 
ЭЭО – электроэрозионная обработка; 
ЭЭХО – электроэрозионно-электрохимическая обработка; 
УЗП – ультразвуковое поле; 
ДЭС – двойной электрический слой; 
ЭДС – электродвижущая сила; 
ЭИ – электрод-инструмент; 
НЭИ – непрофилированный ЭИ; 
НСЭИ – непрофилированный стержневой ЭИ; 
ЭЗ – электрод-заготовка; 
МЭЗ – межэлектродный зазор; 
МЭП – межэлектродный промежуток; 
ГПП – газопаровая полость; 
ГПС – газопаровой слой; 
КЗ – короткое замыкание; 
ИП – источник питания; 
ГТД – газотурбинный двигатель; 
СПИД – система «Станок–Приспособление–Инструмент–Деталь». 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
5 

ОГЛАВЛЕНИЕ 
 
ВВЕДЕНИЕ ....................................................................................................................... 
8 
1. ИСТОРИЯ РАЗВИТИЯ ЭЛЕКТРОЭРОЗИОННО-ХИМИЧЕСКОЙ ОБРАБОТКИ 
(ЭЭХО) 
............................................................................................................................ 
10 
1.1. Роль электрофизико-химических методов обработки (ЭФХМО)  
в производстве современных машин ........................................................................... 
10 
1.2. История возникновения и развития технологии  
электроэрозионно-электрохимической обработки ...................................................... 
11 
1.3. Методы получения отверстий малого диаметра .................................................. 
13 
1.3.1. Сравнение технологических показателей методов получения  
отверстий малого диаметра 
...................................................................................... 
14 
1.3.2. Преимущества электроэрозионно-электрохимической обработки  
отверстий малого диаметра 
...................................................................................... 
26 
2. ФЕНОМЕНОЛОГИЯ И МАТЕМАТИЧЕСКИЕ МОДЕЛИ ПРОЦЕССА ЭЭХО ........... 
27 
2.1. Исследование закономерностей электрического пробоя электролита  
в условиях ЭЭХО ........................................................................................................... 
27 
2.1.1. Оборудование и материалы для экспериментального исследования  
электрических разрядов в условиях ЭЭХО ............................................................. 
27 
2.1.2. Экспериментальное исследование напряжения и времени  
запаздывания электрического пробоя электролитов 
.............................................. 
30 
2.1.3. Феноменология процессов, определяющих запаздывание пробоя  
в условиях ЭЭХО. Роль переднего фронта импульса тока 
.................................... 
36 
2.1.4. Математическая модель импульса тока на предпробойной стадии 
............ 
43 
2.1.5. Влияние ультразвукового поля на параметры пробойного импульса ......... 
52 
2.2. Исследование физико-химических процессов, сопровождающих  
электрические разряды в условиях ЭЭХО малых отверстий ..................................... 
56 
2.2.1. Экспериментальное исследование динамики расширения ГПП  
в узком кольцевом МЭП ............................................................................................ 
56 
2.2.2. Математическая модель динамики расширения ГПП 
................................... 
64 
2.2.3. Влияние динамики расширения ГПП на интенсивность  
электроэрозионного съема в условиях ЭЭХО 
......................................................... 
75 
2.2.4. Зависимость эрозионного съема от паузы между импульсами тока ........... 
78 
2.2.5. Зависимость амплитуды поперечной вибрации стержневого ЭИ  
от параметров электрического разряда 
................................................................... 
87 
2.2.6. Исследование эрозионного съема при искусственном ограничении  
размеров катодного пятна канала разряда ............................................................. 
97 
2.3. O механизме повышения производительности при ЭЭХО отверстий  
малого диаметра 
.......................................................................................................... 
108 
2.3.1. Стадийная модель осуществления процесса ЭЭХО отверстий  
малого диаметра ..................................................................................................... 
108 
2.3.2. Физико-химические основы повышения производительности  
при ЭЭХО ................................................................................................................. 
112 
3. ИССЛЕДОВАНИЕ ТЕХНОЛОГИЧЕСКИХ ПОКАЗАТЕЛЕЙ ЭЭХО 
......................... 
117 
3.1. Классификация технологических схем ЭЭХО..................................................... 
117 
3.2. Обзор известных схем ЭЭХО отверстий 
............................................................. 
118 
3.2.1. Технологическая схема одноконтурной электроэрозионно- 
электрохимической прошивки отверстий малого диаметра 
................................. 
118 
6 

3.2.2. Многоэлектродные и многоконтурные схемы ЭЭХО с управляемой  
дискретно-локальной подачей энергии 
.................................................................. 
123 
3.2.3. Многокоординатная обработка непрофилированным стержневым ЭИ  
малого диаметра ..................................................................................................... 
124 
3.3. Исследование технологических показателей ЭЭХО отверстий малого  
диаметра 
....................................................................................................................... 
129 
3.3.1. Понятие максимально допустимой скорости подачи при ЭЭХО  
отверстий малого диаметра 
.................................................................................... 
129 
3.3.2. Влияние параметров режима на максимально допустимую скорость  
подачи 
....................................................................................................................... 
133 
3.3.3. Микроструктура поверхностного слоя после ЭЭХО 
.................................... 
139 
3.3.4. Шероховатость боковой поверхности отверстия ........................................ 
147 
3.3.5. Износ электрод-инструмента ........................................................................ 
150 
3.3.6. Математическая модель электрохимического формообразования  
боковой поверхности отверстия ............................................................................. 
153 
3.3.7. Анализ погрешности формообразования боковой поверхности 
................ 
161 
4. СРЕДСТВА ТЕХНОЛОГИЧЕСКОГО ОСНАЩЕНИЯ 
............................................... 
169 
4.1. Станки ЭЭХО 
......................................................................................................... 
169 
4.2. Источники питания для ЭЭХО.............................................................................. 
174 
4.2.1. Опытные и экспериментальные образцы источников питания  
для ЭЭХО, используемые в промышленности 
...................................................... 
174 
4.2.2. Рекомендации по выбору источника питания для ЭЭХО отверстий  
малого диаметра ..................................................................................................... 
180 
4.3. Системы автоматического управления процессом ЭЭХО и системы  
защиты от коротких замыканий 
................................................................................... 
182 
4.3.1. Системы управления процессом ЭЭХО 
....................................................... 
182 
4.3.2. Системы защиты от коротких замыканий .................................................... 
186 
4.4. Пример технического задания на перспективный станок для ЭЭХО  
отверстий малого диаметра и непрофилированным ЭИ .......................................... 
186 
5. РЕЗУЛЬТАТЫ ПРОМЫШЛЕННОГО ПРИМЕНЕНИЯ ТЕХНОЛОГИИ ЭЭХО ........ 
191 
5.1. Примеры прошивочных технологических операций ЭЭХО отверстий.............. 
191 
5.1.1. Прошивка смазочных отверстий в наружных кольцах подшипников  
качения ..................................................................................................................... 
191 
5.1.2. Многоэлектродная прошивка отверстий ...................................................... 
193 
5.2. Примеры технологических операций многокоординатной ЭЭХО  
сложнофасонных поверхностей стержневым ЭИ малого диаметра 
........................ 
198 
5.3. Рекомендации по выбору оптимальных режимов ЭЭХО 
................................... 
201 
5.3.1. Задача оптимизации режима ЭЭХО отверстий малого диаметра 
............. 
201 
5.3.2. Блок-схема алгоритма выбора параметров режима на операции  
ЭЭХО отверстий малого диаметра ........................................................................ 
203 
ЗАКЛЮЧЕНИЕ. ПЕРСПЕКТИВНЫЕ НАПРАВЛЕНИЯ РАЗВИТИЯ  
МЕТОДА ЭЭХО ............................................................................................................ 
209 
ЛИТЕРАТУРА ............................................................................................................... 
211 
ПРИЛОЖЕНИЯ 
............................................................................................................. 
227 
П.1. ПУБЛИКАЦИИ уфимских ученых в области теории процесса,  
технологии и оборудования для ЭЭХО 
...................................................................... 
227 
П.2. ИЗОБРЕТЕНИЯ (патенты и авторские свидетельства) уфимских ученых  
в области ЭЭХО 
........................................................................................................... 
233 
 
7 

 
ВВЕДЕНИЕ 
 
Совершенствование конструкций и повышение эксплуатационной надежности 
современных машин и приборов обусловливает применение высокопрочных и твердых материалов. Однако их обработка традиционными механическими методами с 
использованием лезвийного инструмента встречает серьезные технологические затруднения. Наиболее остро эти затруднения ощущаются при прошивке отверстий малого диаметра. Применяемые в этих целях электрофизические и электрохимические 
методы позволяют решить ряд проблем, однако зачастую не удовлетворяют требованиям современного производства по производительности, либо не обеспечивают требуемого качества поверхности. 
В предлагаемой монографии рассмотрен комбинированный электроэрозионнохимический метод обработки (ЭЭХО), основанный на использовании для размерного 
разрушения материала нестационарного электрического разряда в электролите (процесс ЭЭО) и анодного электрохимического растворения (процесс ЭХО). Важнейшим 
технологическим преимуществом ЭЭХО является существенное повышение производительности по сравнению с показателями каждого из составляющих процессов ЭЭО 
и ЭХО в отдельности, хорошее качество поверхности Ra = 1,25…2,5 мкм, а также отсутствие заусенцев и острых кромок. После непродолжительной стадии электрохимической калибровки может быть полностью удален дефектный (измененный) слой.  
Вместе с тем, использование ЭЭХО для получения отверстий малого диаметра 
имеет ряд физико-технологических особенностей:  
Объем образующихся при разряде ГПП становится соизмеримым с объемом 
МЭП. В результате, по мере расширения, ГПП может вытеснить из бокового МЭП 
электролит и прервать протекание в нем электрохимических реакций.  
Обработка осуществляется нежестким ЭИ, что создает возможность, для возникающих при электрических разрядах механических импульсов, отклонять рабочий торец ЭИ на величину, соизмеримую с боковым МЭП.  
В условиях искусственного ограничения естественных размеров катодного пятна 
канала разряда размерами торца ЭИ возможно существенное искажение геометрии 
единичных эрозионных лунок на аноде и изменение их объема. С технологической 
точки зрения также важен факт превышения в данных условиях диаметром эрозионной лунки диаметра торца ЭИ, что изменит показатели производительности процесса 
и характер формирования шероховатости боковой поверхности. 
Технологические схемы реализации ЭЭХО и составы электролитов в основном 
аналогичны применяемым при размерной ЭХО. Это позволяет в большинстве случаев 
использовать для ЭЭХО модернизированные копировально-прошивочные электрохимические или электроэрозионные станки.  
Источники питания, как правило, специального исполнения, либо модернизированные тиристорные или машинные генераторы импульсов, используемые при электроэрозионной обработке. В некоторых случаях используются два параллельно включенных ИП (постоянного и импульсного тока). 
Наиболее распространенными прошивочными операциями, выполняемыми методом ЭЭХО, являются: получение отверстий диаметром 0,5…5 мм при h/d < 10; 
трепанация отверстий диаметром 10…50 мм в нежестких тонкостенных конструкциях 
8 

 
при глубине 1…2 мм; одновременная прошивка ряда отверстий диаметром 1...10 мм 
при h/d < 5. 
Перспективным направлением развития метода ЭЭХО является использование 
его на многоцелевых станках и в гибких производственных системах электрофизико- 
химической обработки. Положительные результаты получены и при ЭЭХО сложнофасонных поверхностей и деталей по схеме последовательно-строчного удаления припуска непрофилированными ЭИ. 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
9 

 
1. ИСТОРИЯ РАЗВИТИЯ  
ЭЛЕКТРОЭРОЗИОННО-ХИМИЧЕСКОЙ  
ОБРАБОТКИ (ЭЭХО) 
 
1.1. РОЛЬ ЭЛЕКТРОФИЗИКО-ХИМИЧЕСКИХ МЕТОДОВ  
ОБРАБОТКИ (ЭФХМО) В ПРОИЗВОДСТВЕ СОВРЕМЕННЫХ МАШИН 
 
Под общим названием электрофизические и электрохимические методы обработки (ЭФХМО) материалов объединены: электрохимические, электрохимике-механические (анодно-механические), электроэрозионные, электрогидравлические, электронно-лучевые, плазменные, ультразвуковые, светолучевые и ряд других методов. К 
этим методам относят также и различные сочетания (совмещения) в одном процессе 
нескольких из указанных способов воздействия между собой или с традиционными 
методами обработки резанием или давлением.  
Электрохимические, электрофизические и комбинированные методы обработки 
характеризуются приведенными ниже основными технологическими особенностями, 
выгодно отличающими их от традиционных технологий, которые основаны на преимущественно силовом (контактном) воздействии инструмента на заготовку: 
– Осуществлением обработки токопроводящих и нетокопроводящих материалов практически с любыми физико-механическими свойствами без приложения 
значительных механических усилий и без непосредственного механического контакта обрабатывающей поверхности инструмента с обрабатываемой поверхностью заготовки. 
– Большими технологическими возможностями изменения формы, размеров, 
шероховатости и свойств обрабатываемых поверхностей заготовок, охватывающими практически все операции в машиностроении   приборостроении. 
– Получением сложных по форме поверхностей деталей при сравнительно 
простой кинематике формообразующих движений ЭИ. 
– Значительно меньшей зависимостью (а зачастую и полной независимостью) 
основных технологических показателей процессов от физико-механических свойств 
обрабатываемого материала (прочности, твердости, вязкости).  
– Минимальным влиянием на физико-механические свойства и эксплуатационные характеристики деталей после ЭФХМО. 
– Относительной простотой, низкой себестоимостью и высокой стойкостью применяемого инструмента, а иногда и отсутствием его износа. В некоторых процессах электрофизической обработки инструмент (в классическом его понимании) вообще отсутствует, а его функции выполняет сформированный соответствующим образом поток электронов, ионов и т. д. 
– Большими возможностями интенсификации многих технологических процессов механической обработки (резанием и давлением), нанесения покрытий, 
сварки, пайки и других, выполняемых традиционными методами с большой трудоемкостью и низким качеством обработки. 
– Возможностями механизации и автоматизации основных технологических и 
вспомогательных переходов вплоть до применения робототехнических средств и 
комплексной автоматизации операций и процессов. 
10