Лабораторный практикум по курсу «Теория электрофизических и электрохимических методов обработки материалов»

Московский государственный технический университет 
имени Н.Э. Баумана 
 
 
 
 
 
 
 
И.Б. СТАВИЦКИЙ, Н.П. МАЛЕВСКИЙ 
 
 
 
ЛАБОРАТОРНЫЙ ПРАКТИКУМ 
ПО КУРСУ  
«ТЕОРИЯ ЭЛЕКТРОФИЗИЧЕСКИХ 
И ЭЛЕКТРОХИМИЧЕСКИХ МЕТОДОВ 
ОБРАБОТКИ МАТЕРИАЛОВ» 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
Москва 
Издательство МГТУ им. Н.Э. Баумана 
2010 

С77 
 

УДК 621.7+621.9 
ББК 34.5      
        С77 
 
 
 
 
 
Рецензент Б. Д. Даниленко 

 
 
Ставицкий И. Б. 
Лабораторный практикум по курсу «Теория электрофизических 
и электрохимических методов обработки материалов» : 
метод. указания / И.Б. Ставицкий, Н.П. Малевский. – 
М.: Изд-во МГТУ им. Н.Э. Баумана, 2010. – 37, [3] с.: ил. 
 
Данное издание содержит описание трех лабораторных работ и 
методические указания для их выполнения. Все три лабораторные 
работы взаимосвязаны и предназначены для изучения физических 
процессов электроэрозионной обработки материалов и ее технологических 
особенностей. 
Для студентов 3–5-го курсов специальностей «Технология 
машиностроения», «Металлорежущие станки и комплексы», «Инструментальные 
системы машиностроительных производств». 
 
 
УДК 621.7+621.9 
ББК 34.5 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
© МГТУ им. Н.Э. Баумана, 2010 

 

ПРЕДИСЛОВИЕ 

Предлагаемый лабораторный практикум по курсу «Теория 
электрофизических и электрохимических методов обработки материалов» 
состоит из трех лабораторных работ, посвященных изучению 
основ метода электроэрозионной обработки материалов. 
Все входящие в практикум работы взаимосвязаны и направлены 
на углубление знаний о физических процессах, происходящих при 
электроэрозионной обработке материалов и ее технологических 
особенностях. В лабораторных работах рассмотрены принципы 
формирования поверхности и съема материала, исследуются технологические 
параметры копировально-прошивочной и вырезной 
электроэрозионной обработки. 
Каждая работа содержит краткую теоретическую часть, описание 
лабораторного оборудования для проведения экспериментов, 
методические указания, необходимые для ее выполнения, и пример 
оформления отчета. Лабораторный практикум служит дополнением 
и практической иллюстрацией лекционного материала. 

ОБЩИЕ МЕТОДИЧЕСКИЕ УКАЗАНИЯ 
К ВЫПОЛНЕНИЮ ЛАБОРАТОРНЫХ РАБОТ 

К проведению лабораторных работ допускаются студенты, изучившие 
соответствующий лекционный материал, знающие методику 
их проведения и ознакомившиеся с инструкцией по технике 
безопасности. Все эксперименты проводятся студентами в присутствии 
преподавателя или учебного мастера. Запрещается включать 
какие-либо элементы экспериментального оборудования без разрешения 
учебного мастера. Категорически запрещается во время 
работы станка прикасаться к его токоподводам и другим элементам, 
находящимся под напряжением. 

Лабораторные работы выполняются бригадами из 4–5 студентов. 
Отчет о проделанной работе оформляется и защищается 
каждым студентом индивидуально.  
При защите лабораторных работ обсуждаются полученные зависимости, 
устанавливаются причинно-следственные связи рассматриваемых 
явлений, сравниваются полученные экспериментальные 
результаты с теоретическими закономерностями электроэрозионной 
обработки. 

Р а б о т а  № 1. ФОРМИРОВАНИЕ ПОВЕРХНОСТИ  
И ОСУЩЕСТВЛЕНИЕ СЪЕМА МАТЕРИАЛА 
В ПРОЦЕССЕ ЭЛЕКТРОЭРОЗИОННОЙ ОБРАБОТКИ 

Цель работы – углубление знаний о физических процессах, 
происходящих при электроэрозионной обработке (ЭЭО) материалов; 
изучение механизма формирования поверхности в результате 
воздействия на нее электрическими разрядами малой длительности; 
исследование влияния параметров единичных электрических разрядов 
на технологические показатели процесса ЭЭО, развитие навыков 
научно-исследовательской работы. 

1. Теоретическая часть 

Электроэрозионная обработка является методом, в котором 
съем материала производится при помощи теплового воздействия 
импульсов электрического тока, подводимого к локальным участкам 
обрабатываемой заготовки. Процесс ЭЭО происходит в рабочей 
жидкости (РЖ), заполняющей пространство между электродами, 
при этом один из электродов является заготовкой, а другой – электродом-
инструментом (ЭИ). 
В процессе ЭЭО между электродами с определенной периодичностью 
возникают электрические разряды, представляющие собой 
направленное движение электронов и ионов соответственно к аноду 
и катоду. В результате соударения этих частиц с поверхностями 
электродов возникают плоские, локализованные на небольших участках 
поверхности источники теплоты. Поскольку электроны и ио-

ны между электродами движутся по очень узкой области, называе-
мой каналом разряда, место их взаимодействия с поверхностями 
электродов, а следовательно, и область выделения теплоты локализованы. 
Нестационарный процесс передачи теплоты от этих источников 
обусловливает выделение в небольшом объеме энергии, 
достаточной для плавления и частичного испарения малой порции 
металла. В результате гидро- и газодинамических процессов, совершающихся 
в межэлектродном промежутке (МЭП), происходит 
выброс расплавленного материала и образование на поверхности 
электрода лунки. Таким образом, лунка – это след на поверхности 
ЭИ или заготовки, полученный в результате воздействия одного 
электрического разряда. Профиль и параметры лунки представлены 
на рис. 1 и 2. 
 

 
Рис. 1. Профилограммы эрозионных лунок на стали 45 (а) и меди (б) 

 

Рис. 2. Параметры эрозионных лунок: 
Dм – диаметр эрозионного следа; Dл, hл – диаметр и глубина лунки;  
hв, b – высота и ширина валика 
 

В процессе ЭЭО частота электрических 
разрядов между электродами велика 
(как правило, от десятков до сотен килогерц). 
Образующаяся поверхность представляет 
собой совокупность большого 
количества лунок, форма и размеры кото-
рых определяют параметры ее шерохова-
тости при ЭЭО. Объем лунки, в свою оче-
редь, существенно влияет на скорость 
съема материала. 
Размеры лунок зависят от энергии W 
и длительности tи импульса электрическо-
го тока, состава РЖ, материала электрода, полярности обработки, 
МЭП и других факторов. 
Сверху лунка обычно имеет вид окружности (рис. 3). Геомет-
рия ее сечения зависит прежде всего от материала электрода. Неко-
торое влияние на форму лунки оказывают параметры импульса, со-
став РЖ и МЭП. Форму лунки можно приближенно считать круго-
вым 
цилиндром, 
полуэллипсоидом 
вращения, 
параболоидом 
вращения, круговым конусом. Поскольку поверхность заготовки, 
обработанная электроэрозионным способом, представляет собой 
множество перекрывающихся лунок, то лунки в виде кругового ци-
линдра обеспечивают минимальную шероховатость поверхности, а 
в виде кругового конуса – максимальную. 
Установлено, что диаметр Dл и глубина hл лунки на аноде свя-
заны с энергией импульса W следующими зависимостями: 

 
Dл = kd W 0,33,  
(1) 

 
hл = kh W 0,33,  
(2) 

где Dл, hл – в мкм; kd, kh – коэффициенты, зависящие от материала 
электрода и состава РЖ, а также от параметров импульса и напря-
жения на электродах; W – энергия импульса, мкДж. Как правило, 
kd = 3,6...5,7; kh = 0,4...0,8. 
Объем лунки можно вычислить по формуле 

 
Vл  =  10 –9  kф 
2
л
D  hл,  
(3)  

где Vл – в мм3; kф – коэффициент формы лунки, зависящий от мате-
риала электрода и РЖ (таблица). 

 

Рис. 3. Внешний вид 
эрозионной лунки 

Таблица 

Обрабатываемый 
 материал 
Форма лунки 
kф 
K1 · 109, мм3/мкДж 

Медь 
Параболоид вращения 
0,4 
3,2 

Латунь 
То же 
0,4 
4,8 

Сталь 45 
Полуэллипсоид вращения 
0,55 
2,6 

 
С учетом выражений (1) и (2) формулу (3) можно переписать в 
виде 

 
Vл = 10–9k1W,  
(4) 

где k1 – коэффициент удельной эрозии, зависящий от материала 
электрода и состава РЖ и характеризующий эффективность исполь-
зования энергии разряда при удалении материала с поверхности 
электрода. 
Максимальную скорость съема материала для выбранного ре-
жима ЭЭО можно определить по формуле 

 
Mmax = 60 f Vл,  
(5) 

где Mmax – в мм3/мин; f – частота следования импульсов напряжения 
(холостого хода), подаваемых генератором к электродам, Гц. 
В реальных условиях обработки далеко не все импульсы на-
пряжения, подаваемые генератором к электродам, вызывают электрические 
разряды и образуют лунки. Поэтому реальная скорость 
съема материала всегда ниже максимальной, рассчитанной по формуле (
5). 
Отношение количества электрических разрядов, образующих 
лунки и, следовательно, осуществляющих съем материала, к количеству 
импульсов холостого хода за это же время называется коэффициентом 
использования импульсов . В связи с этим реальную 
скорость ЭЭО можно вычислить по формуле 

 
M = 60 f Vл.  
(6) 

Значение коэффициента  зависит от многих факторов: условий 
эвакуации продуктов эрозии из зоны обработки, совершенства следящей 
системы станка, скорости подачи ЭИ, применения вибрации 
ЭИ, прокачки РЖ и т.д., поэтому устанавливают его экспериментально. 

Энергия импульса W определяется выражением 

 
W = 

и

0
( ) ( )
,

t
U t I t dt

 
(7) 

где U(t) – напряжение импульса; I(t) – ток разряда; tи – длительность 
импульса. 

2. Оборудование для исследования 

Лабораторную работу выполняют по указанию преподавателя 
либо на универсальном электроэрозионном копировально-прошивочном 
станке 4Г721М с транзисторным генератором импульсов 
ШГИ 40-440, либо на электроэрозионном вырезном станке А207.61 
с тиратронным генератором импульсов. 
Станок модели 4Г721М представляет собой копировально-
прошивочный электроэрозионный станок, предназначенный для 
изготовления рабочих поверхностей штампов и пресс-форм, а также 
для получения различных полостей в электропроводных материалах 
любой твердости. В качестве РЖ используют углеводородные диэлектрические 
жидкости. Станок оснащен независимым широкодиапазонным 
транзисторным генератором импульсов. Частота генератора 
регулируется ступенчато от 8 до 440 кГц, напряжение на 
электродах имеет три значения: 65, 100 и 200 В, средний рабочий 
ток изменяется от 3 до 40 А. 
Станок модели А207.61 представляет собой вырезной электроэрозионный 
станок, использующий в качестве ЭИ проволоку. Он 
предназначен для вырезки матриц и пуансонов разделительных 
штампов, а также различных изделий из электропроводных материалов 
любой твердости. В качестве РЖ используют водопроводную 
воду. Станок оснащен независимым тиратронным генератором 
импульсов с блоком накопителей энергии (конденсаторов). В процессе 
обработки электрическая энергия, накапливаемая в конденсаторе, 
подается к электродам с частотой 8...22 кГц. Частота генера-
тора регулируется ступенчато. Блок конденсаторов имеет три зна-
чения емкости: 1100, 2200 и 4400 пФ. Напряжение на электродах 
можно плавно изменять от 50 до 250 В. Для обработки используют 
латунную проволоку диаметром 0,1...0,3 мм. 

Более подробное описание принципа работы и устройства стан-
ков 4Г721М и А207.61 дано в лабораторных работах № 2 и № 3 со-
ответственно. 
Для определения геометрических размеров лунок используют 
микроскоп ПМТ-3 с винтовым окулярным микрометром МОВ-6-15X.  

3. Порядок выполнения работы 

1. Получить у преподавателя исходные данные и материалы, 
необходимые для проведения лабораторной работы: модель элек-
троэрозионного станка и тип РЖ, режимы обработки, набор по-
лированных образцов из различных материалов (сталь 45, медь М1 
и др.), ЭИ. 
2. Ознакомиться с устройством и принципом работы электро-
эрозионного станка.  
3. Получить эрозионные лунки на двух-трех образцах из раз-
личных материалов (на заданном режиме обработки), воспользо-
вавшись методикой групповых лунок. 
В реальных условиях ЭЭО на исследуемом режиме обработ-
ки (при заданной энергии и длительности импульсов) между элек-
тродами в течение короткого времени (1...3 с) произвести серию 
электрических разрядов путем врезания ЭИ в исследуемый образец. 
Электрические разряды оставят на его поверхности характерные 
следы в виде лунок. Перед врезанием необходимо задать некото-
рую непараллельность между электродами, для чего ЭИ следует 
установить под небольшим углом (1...2°) относительно рабочей по-
верхности образца. Это позволит получить на поверхности образца 
отдельные лунки и их группы. Чтобы изображение было более чет-
ким, рабочую поверхность исследуемого образца следует отполиро-
вать. Во время проведения эксперимента МЭП поддерживается 
следящей системой станка автоматически. 
Схема получения эрозионных лунок приведена на рис. 4. 
4. Ознакомиться с методами измерения параметров электриче-
ских импульсов электроэрозионного станка и определить энергию 
импульса для заданного режима обработки. 
Энергию импульса на станках модели А207.61 и 4Г721М целе-
сообразно измерять разными методами, так как генераторы станков 
имеют различную конструкцию. 

Определение энергии импульса на станке 4Г721М, комплек-
тующемся транзисторным генератором импульсов модели 
ШГИ40-440. Рассчитать энергию импульса по формуле, полученной 
из выражения (7):  

 
ср /
,
W
UI
f

 
(8) 

где U – среднее напряжение импульса, В; Iср – средний рабочий 
ток, А;  f – частота следования импульсов, Гц. 
 

 

Рис. 4. Схемы получения эрозионных лунок на вырезном станке 
А207.61 (а) и копировально-прошивочном станке 4Г721М (б) 
 
Для импульсов длительностью tи > 10 мкс принять U = 25 В, а 
для tи < 10 мкс – U = Uа / 2, где Uа – амплитуда импульсов напряже-
ния. 
Длительность импульсов определить по формуле 

 
и
1/(
),
t
q f

 
(9) 

где q – скважность.