Електроерозійне формування непрофільованим дротяним електродом фасонного ріжучого інструменту для високообертової обробки

Размещено на http://www.allbest.ru/

НАЦІОНАЛЬНИЙ ТЕХНІЧНИЙ УНІВЕРСИТЕТ УКРАЇНИ

“КИЇВСЬКИЙ ПОЛІТЕХНІЧНИЙ ІНСТИТУТ”

АВТОРЕФЕРАТ

дисертації на здобуття наукового ступеня кандидата технічних наук

ЕЛЕКТРОЕРОЗІЙНЕ ФОРМУВАННЯ НЕПРОФІЛЬОВАНИМ ДРОТЯНИМ ЕЛЕКТРОДОМ ФАСОННОГО РІЖУЧОГО ІНСТРУМЕНТУ ДЛЯ ВИСОКООБЕРТОВОЇ ОБРОБКИ

ПЛАХОТНИЙ ОЛЕКСАНДР ПЕТРОВИЧ

Спеціальність 05.03.07 - Процеси фізико-технічної обробки

КИЇВ 2003

Анотація

Плахотний О.П. Електроерозійне формування непрофільованим дротяним електродом фасонного ріжучого інструменту для високообертової обробки. - Рукопис.

Дисертація на здобуття наукового ступеня кандидата технічних наук за спеціальністю 05.03.07 - Процеси фізико-технічної обробки. - Національний технічний університет України “Київський політехнічний інститут”, м. Київ, 2003.

Дисертація присвячена розробці технології електроерозійного дротяного виготовлення складнопрофільних ріжучих частин інструменту, яка разом з автоматизованою системою проектування технологічних процесів різання таким інструментом на високих обертах матеріалів з низьким коефіцієнтом теплопровідності забезпечує підвищення ефективності обробки рельєфних поверхонь.

Побудована математична модель та проведені розрахунки теплофізичних процесів в зоні різання фасонними фрезами, що дало можливість встановити вплив параметрів електроерозійного виготовлення (прогину дроту-електроду, енергетичних характеристик імпульсів іскрового розряду) на допустимі режими різання такими фрезами та прогнозувати їх період стійкості.

Основні результати досліджень дозволили створити інтегрований виробничий комплекс для виготовлення рельєфних деталей художнього декору, що знайшов широке впровадження у виробництві.

Ключові слова: електроерозійна вирізна обробка, дротяний електрод, іскровий розряд, фасонна фреза, теплофізичні процеси різання, інтегрований виробничий комплекс.

Аннотация

Плахотный А.П. Электроэрозионное формирование непрофилированным проволочным электродом фасонного режущего инструмента для высокооборотной обработки. - Рукопись.

Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук по специальности 05.03.07 - Процессы физико-технической обработки. - Нацио-нальный технический университет Украины “Киевский политехнический институт”, Киев, 2003.

Диссертация посвящена разработке технологии электроэрозионного изготовления сложнопрофильных режущих элементов инструмента, которая, вместе с автоматизированной системой проектирования технологических процессов резания таким инструментом на высоких оборотах материалов с низким коэффициентом теплопроводности, обеспечивает повышение эффективности обработки рельефных поверхностей.

Предложена методика проектирования фасонных фрез, основанная на математической аппроксимации рабочих поверхностей режущего инструмента линейчатыми поверхностями, которые имеют прямолинейную образующую и могут быть изготовлены непрофилированным электродом по электроэрозионной технологии.

Проведены расчеты тепловых полей вблизи криволинейных режущих кромок фасонных фрез на основании предложенной математической модели с использованием конформных преобразований теории функций комплексной переменной и определено влияние параметров электроэрозионной обработки фрез (прогиба проволочного электрода, энергетических параметров искровых импульсов) на их эксплуатационные характеристики. Это дало возможность определить максимально производительные режимы резания фасонными фрезами, изготовленными по электроэрозионной технологии, и определить их период стойкости при резании на высоких оборотах (до 72 000 об/мин) материалов с низким коэффициентом теплопроводности.

Созданы модули САПР технологического процесса электроэрозионного изготовления сложнопрофильных фрез и технологического процесса резания этим инструментом, которые вместе с соответствующим оборудованием вошли в интегрированный производственный комплекс по производству рельефных деталей художественного декора, нашедший широкое применение на предприятиях Украины и зарубежья.

Ключевые слова: элекроэрозионная вырезная обработка, проволочный электрод, искровой разряд, фасонная фреза, теплофизические процессы резания, интегрированный производственный комплекс.

Summary

Plakhotny A.P. Electroerosive formation non-profiling wire electrode of the shaped cutting tool for high revolutions processing. - Manuscript.

The dissertation for the degree of candidate technical science, speciality 05.03.07 - the processes of physical and technical processing. - The National Technical University of Ukraine "Kyiv Polytechnical Institute ", Kyiv, 2003.

The dissertation is devoted to development of technology of electroerosive manufacturing of shaped profile cutting elements of the tool which, together with the automated system of designing of technological processes of cutting by such tool on high revolutions of materials with low factor of heat conductivity, provides increase of efficiency of processing of relief surfaces.

The constructed mathematical model and the received calculations thermophysics processes in a zone of cutting by shaped mills which influence of parameters of electroerosive manufacturing (deflection of a wire electrode, power characteristics of discharge impulses) on allowable modes of cutting by such mills has enabled to establish and to predict their period of stability.

The basic results of researches have allowed to create the integrated industrial complex for manufacturing relief details of an art decor which has found wide introduction in manufacture.

Key words: electroerosive cut processing, wire electrode, discharge impulse, shaped mill, thermophysics processes of the cutting, integrated industrial complex.

1. Загальна характеристика роботи

Актуальність теми. Сучасне виробництво вимагає застосування новітніх технологій, які дають можливість отримувати готові вироби та інструмент із заданими розмірами та властивостями, що не потребують подальшої обробки. В цьому ряду електроерозійна обробка зайняла належне провідне місце.

В умовах сучасного стану промисловості України одним з найбільш перспективних шляхів впровадження електроерозійної технології у виробництво є створення інтегрованих виробничих комплексів, які поєднують в собі ефективні методи обробки і сучасні комп'ютеризовані системи автоматизованого проектування та керування технологічними процесами.

Широке поширення інтегрованих комплексів у виробництві стримується, насамперед, відсутністю технологічного забезпечення, яке б взаємопов'язано описувало процеси проектування ріжучого інструменту, його електроерозійне виготовлення та теплофізику різання таким інструментом.

Останнім часом у світі сформувалася тенденція до підвищення продуктивності виготовлення рельєфних форм за рахунок ускладнення кінематики різання, що вимагає застосування складнопрофільного інструменту. Так ідея застосування набору фасонного ріжучого інструменту, виготовленого одним дротом-електродом для кожної поверхні, дає можливість в 160-200 разів скоротити час виготовлення рельєфних форм, порівняно з існуючими технологіями фрезерування голковим інструментом. Однак, нині відсутні методики проектування фасонного ріжучого інструменту, які б враховували можливість його виготовлення непрофільованим дротяним електродом, недостатньо вивчений вплив параметрів електроерозійного виготовлення інструменту на його експлуатаційні характеристики.

Взаємопов'язане вивчення цих питань, створення єдиної технологічної бази для розробки САПР технологічних процесів функціювання інтегрованого виробничого комплексу має наукове та практичне значення, визначає актуальність даної роботи і доцільність її виконання.

Зв'язок роботи з науковими програмами, планами, темами. Дисертаційна робота виконана в рамках проектів 5.43.09/009-94 “Підвищення продуктивності, точності та якості розмірної електроерозійної обробки” Державної науково-технічної програми Міністерства України у справах науки і технологій; 06.01/07896 “Розробка технології обробки і математичного апарату проектування рельєфів в середовищі сучасних САПР” по пріоритетному напрямку Державної науково-технічної програми 6.1 “Сучасні інформаційні технології в створенні інтегрованих виробничих комплексів”.

Мета та задачі досліджень. Мета роботи - створення електроерозійної технології формування складнопрофільних ріжучих інструментів та автоматизованої системи проектування технологічних процесів, які забезпечать підвищення ефективності високообертової обробки рельєфних поверхонь фасонними фрезами.

Для досягнення поставленої мети в роботі необхідно вирішити такі задачі:

- розробити технологічні основи проектування процесу формоутворення при електроерозійній обробці непрофільованим дротяним електродом складнопрофільних ріжучих інструментів;

- встановити закономірності впливу фізико-технологічних параметрів електроерозійного дротяного різання на геометричну форму фасонних фрез та їх стійкість на високообертових режимах різання матеріалів з низьким коефіцієнтом теплопровідності;

- розробити конструкцію пристрою та технологію електроерозійного виготовлення фасонних ріжучих елементів інструменту з твердих сплавів на двохкоординатних електроерозійних вирізних верстатах;

- шляхом математичного моделювання та експериментальних досліджень теплових полів в околі криволінійних ріжучих кромок інструменту розробити електроерозійну вирізну технологію для отримання фасонних фрез із заданими властивостями та прогнозованим періодом стійкості;

- створити модулі САПР для автоматизованого проектування технологічних процесів електроерозійного виготовлення фасонного інструменту та технологічних процесів обробки деталей художнього декору;

- розробити рекомендації для впровадження виробничого комплексу у промисловість.

Об'єкт і предмет дослідження. Об'єктом дослідження є процес електроерозійного дротяного виготовлення складнопрофільного ріжучого інструменту. Предметом дослідження є визначення впливу технологічних параметрів електроіскрового розряду та прогину дроту-електроду на експлуатаційні характеристики фасонного інструменту на високообертових режимах різання матеріалів з низьким коефіцієнтом теплопровідності.

Методи дослідження. Теоретичні дослідження проводилися на основі теорії електроерозійної обробки, математичної моделі теплофізичних процесів різання фасонним інструментом. Експериментальні дослідження проводились на спеціалізованому електроерозійному обладнанні з використанням сучасної реєструючої та вимірювальної апаратури.

Наукова новизна. 1. Встановлені закономірності впливу прогину дротяного електроду та параметрів імпульсів іскрового розряду при електроерозійній обробці на геометрію та фізико-механічні властивості фасонних фрез при їх експлуатації на високих обертах різання матеріалів з низьким коефіцієнтом теплопровідності.

2. Удосконалено технологію автоматизованого проектування електроерозійного формоутворення дротяним електродом складнопрофільних кінцевих фрез шляхом застосування математичної апроксимації робочих поверхонь різального інструменту лінійчатими поверхнями, що мають прямолінійну твірну і дало можливість їх виготовлення непрофільованим електродом.

3. Запропонована математична модель розрахунку розподілу теплових полів на основі конформних відображень теорії функцій комплексної змінної, що дала можливість вперше врахувати криволінійні границі ріжучих частин інструменту, а також встановити зв'язок інтенсивності відводу тепла від зони різання з формою фасонної фрези, що визначає оптимальні умови різання.

Практична цінність роботи. Створено методику проектування і пристрій для виготовлення складнопрофільних кінцевих фрез на двохкоординатних електроерозійних вирізних верстатах. Отримані фрези мають перевагу в тому, що допускається їх перезаточування по передній поверхні і завдяки цьому збільшується термін експлуатації фрез в 5-7 разів.

Розроблено САПР технологічних процесів електроерозійної обробки ріжучих частин інструменту з твердих сплавів з використанням генераторів струму ГКІ300-200А.

Отримані результати досліджень процесів різання на високих обертах фасонними фрезами покладені в основу роботи інтегрованого виробничого комплексу, шляхом створення САПР, для виготовлення деталей художнього дерев'яного декору, що значно покращує і розширює асортимент продукції деревообробної та меблевої промисловості.

Реалізація роботи. Запропонована технологія електроерозійного виготовлення фасонних кінцевих фрез, система автоматизованого проектування рельєфних поверхонь та технологічних процесів їх виготовлення дозволили створити конкурентноздатний, гнучкий, рентабельний виробничий комплекс.

В результаті впровадження САПР ТП електроерозійного виготовлення деталей інструментального виробництва на НВП “Ротор” (м. Черкаси), загальний час проектування технологічного процесу скоротився на 150-200 % (Акт впровадження від 20.02.1998 р.).

Згідно з договором від 25.11.1997 р. на Черкаському деревообробному комбінаті впроваджена і експлуатується виробнича дільниця по виготовленню за допомогою фасонного інструменту на верстаті з ЧПК СМ600-Ф4 деталей художнього дерев'яного декору з високою продуктивністю та якістю вихідних виробів. В результаті впровадження дільниці значно скоротилися витрати ручної праці і повністю відпала необхідність в закупівлі різьблених деталей для оздоблення фасаду (Акт впровадження від 05.02.1998 р.).

Розроблена САПР ТП обробки рельєфних поверхонь різними видами фасонного інструменту, що запроваджена на ЗАТ “Черкаський ДОК”, дала змогу підвищити продуктивність виготовлення деталей та значно скоротити час розробки нових видів меблевих наборів. Запропонована розробка дозволила створити ефективну систему освоєння нових фасадів до корпусних меблів і оперативно реагувати на потреби сучасного ринку (Акт впровадження від 05.02.1998 р.).

Інтегрований виробничий комплекс успішно працює на приватних фірмах - ПМП “Інформаційні інноваційні технології” (м. Тернопіль), “Алмакс” (м. Краків, Польща) та ін.

Особистий внесок здобувача. Основні теоретичні та експериментальні роботи по створенню технології проектування та електроерозійного виготовлення фасонного інструменту виконані автором.

Математична модель розрахунку розподілу теплових полів на основі конформних відображень теорії функції комплексної змінної, що дала можливість встановити вплив параметрів електроерозійного виготовлення фрез на їх експлуатаційні характеристики і прогнозувати період стійкості фрез на високообертових режимах різання, розроблена автором.

Модулі САПР ТП електроерозійної обробки інструменту та виготовлення рельєфних поверхонь фасонними фрезами побудовані автором.

Створення інтегрованого виробничого комплексу та його впровадження виконувалось за підтримки колективу кафедри комп'ютеризованих технологій високоефективної обробки матеріалів Черкаського державного технологічного університету та співробітників тих підприємств, де виконувалось впровадження.

Апробація роботи. Основні положення і результати дисертації викладено в доповідях науково-технічної конференції "Аерокосмічний комплекс: конверсія і технології" (м. Житомир, 1995), міжнародній конференції ”Високоефективні технології в машинобудуванні” (м.Алушта, 1996), науково-технічній конференції "Оснастка-97", (м.Київ, 1997), конференції з автоматичного управління “Автоматика-97” (м. Черкаси, 1997), конференції “Високоефективні технології в машинобудуванні” (м. Харків, 1998), VIII міжнародній конференції “Машиностроение и техносфера на рубеже XXI века” (м. Донецьк, 2001).

2. Зміст роботи

У вступі обгрунтовано актуальність роботи, визначені завдання досліджень, відмічено наукову новизну та практичну цінність роботи.

Перший розділ містить аналіз показників сучасних технологічних процесів електроерозійної обробки лезового інструменту провідних фірм AGIE, СHARMILLES, SODICK. Визначені завдання по удосконаленню електроерозійних вирізних технологій обробки інструменту з метою підвищення точності та зниження шорсткості обробленої поверхні при використанні вітчизняних генераторів типу ГКІ300-200А.

В результаті аналізу робіт, присвячених проектуванню фасонних різців, фрез, встановлено необхідність створення методики проектування форми складнопрофільних (фасонних) фрез, що враховувала б можливість їх виготовлення електроерозійним методом за допомогою непрофільованого дротяного електроду.

В роботах, присвячених питанням теплофізики різання, недостатньо досліджені процеси різання та стійкість фасонного інструменту, не враховуються в повній мірі криволінійні границі ріжучих елементів інструменту та технологія його виготовлення. Тому обгрунтовано необхідність побудови математичної моделі розрахунку теплових полів, що враховує криволінійні границі ріжучих частин, бо саме форма останніх визначає потужність стоку тепла, що є головним чинником стійкості інструменту в умовах різання на високих обертах матеріалів з низьким коефіцієнтом теплопровідності. Поставлена задача визначення впливу показників технологічних режимів електроерозійного виготовлення ріжучого інструменту на його експлуатаційні характеристики.

Таким чином, на основі літературного огляду були сформульовані задачі досліджень.

У другому розділі наведено опис обладнання та методики, за допомогою яких проводились дослідження. За базу експериментальних досліджень слугували електроерозійний вирізний верстат з числовим програмним керуванням (ЧПК) моделі СЭЛД-02, що комплектується генератором технологічного струму ГКІ300-200А, свердлильно-фрезерний верстат з ЧПК СМ600-Ф4, з'єднані з комп'ютером, що входять в склад запропонованого інтегрованого виробничого комплексу.

Вимірювання геометричних параметрів виготовленого інструменту виконувалось на координатно-вимірювальній машині КИМ-Р. Топологія поверхні інструменту після електроерозійної обробки вивчалась за допомогою мікроскопу МБС-10. Мікроструктура матеріалу досліджувалась на металографічному мікроскопі ММР-2Р та растровому електронному мікроскопі РЭМ-100У.

Для реєстрації теплових полів на поверхні ріжучої частини наносилось 17 марок термоіндикаторних фарб з температурами переходу в діапазоні від 44 до 986 С.

Третій розділ присвячений визначенню основних вимог до електроерозійного виготовлення інструменту з урахуванням теплофізичних процесів, які виникають в зоні різання неметалевих матеріалів складнопрофільними фрезами на високих обертах (до 72000 об/хв) .

Складено тепловий баланс для технологічної схеми обробки рельєфних поверхонь фасонними кінцевими фрезами на високих обертах :

,

де - приток тепла внаслідок тертя на передній грані інструменту;

- приток тепла внаслідок деформації матеріалу, що обробляється;

- приток тепла від тертя на задній поверхні інструменту;

- сток тепла в стружку, - сток тепла в інструмент, - сток тепла в деталь, - сток тепла в оточуюче середовище.

Встановлено, що високі оберти фрези та її безперервний контакт з матеріалом, що обробляється, спричиняють потужні теплові потоки в інструмент від роботи сил тертя на передній та задній поверхнях леза. складає 30-40% від загального притоку тепла, що надходить в зону різання, - 20-25%, - приблизно 40% . При різанні матеріалів (деревини, мармуру), теплопровідність яких неперевищує 3.5·10^-5 Вт/(м·град), тобто набагато нижча за теплопровідність матеріалу ріжучого інструменту, тепловіддача в інструмент є визначальним стоком тепла із зони різання і складає 50-65% загального відводу тепла. В деталь, в такому випадку, відходить всього близько 10%, в стружку, в залежності від її товщини, - 25-30%, - становить 1-2%. Встановлено, що суттєвими є нерівномірність розподілу температури та значна концентрація теплового поля в окремих місцях, які пов'язані з геометричними характеристиками криволінійного профілю ріжучої частини самого інструменту, що впливає на інтенсивність його зношення в таких місцях.

Побудована математична модель розподілу теплових полів в ріжучій частині фасонних фрез дала можливість сформулювати вимоги до вибору матеріалу, геометрії і конструкції інструменту, які необхідно знати при його виготовленні на електроерозійному комплексі.

Постановка задачі теплопровідності для тривимірного випадку виконана за допомогою рівняння Лапласа. Сформульовані граничні умови на контурі ріжучої кромки фрези для схеми різання на досліджуваних режимах. Прийнято лінійний розподіл температури по товщині і отримано рівняння Лапласа на площині з граничними умовами на криволінійному контурі, що обмежує деяку область D фасонної фрези. Згідно теорії функцій комплексного змінного для кожної конкретної області D знайдено комплексну аналітичну функцію , що здійснює конформне відображення області D на півплощину. Причому граничні умови на криволінійному контурі області D перейдуть на відповідні ділянки прямої, що обмежує півплощину. Аналітичний розв'язок отриманої задачі Дирихле для півплощини визначено через інтеграл Шварца:

, (1)

де - температура, задана на ділянці границі півплощини.

Розрахункова схема для ріжучої частини кінцевої фрези, обмеженої дугою 1/4 кола (рис.1а) показана на рис.1б - півкруг одиничного радіуса з температурою на ділянці . Відобразимо внутрішню частину півкруга на верхню півплощину аналітичною функцією

. (2)

При цьому точка площини , (рис.1б) переходить в точку півплощини , (рис.1в), точка площини переходить в точку , розташовану на дійсній осі . Відділивши дійсну і уявну частини в (2) приходимо до такої послідовності обчислень:

по заданим знаходимо

(3)

Для точки К задаємо , знаходимо . За формулами (3) знаходимо . Значення дорівнюватиме нулю.

Далі

(4)

Аналогічні розв'язки отримані для розподілу теплових полів в ріжучих елементах фрез, що мають форму клина, прямокутника, а також фрез, ріжучою кромкою яких є парабола, ланцюгова лінія. Отримані розв'язки задач, що враховують нерівномірність розподілу температури на границях областей (рис.2).

За допомогою термоіндикаторних фарб при різанні матеріалів з низьким коефіцієнтом теплопровідності на найбільш продуктивних технологічних режимах визначені теплові поля на передній грані інструменту. Провівши обчислювальні експерименти на основі математичної моделі з використанням експериментальних даних визначено розподіл температури вздовж ріжучої кромки фрез. Відмінність експериментальних та розрахункових ізотерм не перевищувала 3-5%. Розрахунки теплових полів дали можливість для кожної конфігурації фасонних фрез визначити допустимі режими їх роботи та період стійкості. Отримані дані складають технологічну базу, що покладена в основу проектування процесів різання деревини фасонними кінцевими фрезами. Визначені вимоги до геометричних параметрів інструменту (табл. 1) стали основою для проектування електроерозійного виготовлення фасонних фрез.

Таблиця 1. Вимоги до різального інструменту, що виготовляється за електроерозійною технологією

Марка матеріалу фрези	Кути заточки	Шорсткість задньої поверхні, Ra, мкм	Коефіцієнт обниження кривої затилування	Характеристики матеріалу, що обробляється
	б, град.	в, град.	г, град.			густина, 10-3 кг/м3	теплопро-відність, ·105 Вт/(м град.)	модуль Юнга ·10-10 Н/м2
ВК15 ВК20	25...35	60...70	0…5	0,9…1,1	0,95	0,7...0,9	2,0...3,5	1,3...1,7
ВК8 ВК15 У8	35...45	50...55	5…15	1,0…1,2	0,85...0,9	0,5...0,7	1,5...2,4	1,1...1,4
Р6М5 У8	30...35	45...50	15…20	0,85…0,9	0,8	0,4...0,6	1,1...1,6	1,0...1,2
Р6М5	25...35	40...45	10…15	0,5…0,75	0,7...0,8	0,2...0,38	0,55...0,8	0,8...1,0

Результати досліджень дають можливість визначити вплив технологічних параметрів дротяного електроерозійного виготовлення фрез на їх експлуатаційні характеристики.

Четвертий розділ присвячений проектуванню формоутворення складнопрофільного ріжучого інструменту дротяним електродом при електроерозійній обробці.

Перерізами CC' та BB' в радіальному напрямі є спіралі Архімеда з коефіцієнтом затилування К, що забезпечує максимальне збереження профілю інструменту при перезаточуванні по передній поверхні та постійність заднього кута . Перерізом AA' січної площини і задньої поверхні в напрямку нормалі до криволінійної ріжучої кромки може бути крива другого порядку - еліпс, парабола, гіпербола, в залежності від кута нахилу січної поверхні до осі симетрії конуса. Поверхні другого порядку, такі як однопорожнинний гіперболоїд та гіперболічний параболоїд мають прямолінійну твірну, тобто можуть бути відтворені рухом прямої в просторі (непрофільованим дротом-електродом). Задня поверхня апроксимується послідовно по ділянкам поверхнями другого порядку. Розмір ділянок та параметри апроксимуючих поверхонь вибираються з умов мінімізації відхилення по інтегральному методу найменших квадратів. Для відтворення кожної ділянки поверхні другого порядку визначається рух лінійної твірної в просторі. Положення твірної (дроту-електроду), що проходить через плинну точку ріжучої кромки фрези, в кожний момент описується кутами та з осями координат. Якщо поверхня, що апроксимувалась має неперервну першу похідну, тобто в кожній точці існує дотична, то функції та є неперервними і така поверхня може бути виготовлена за одну технологічну операцію електроерозійного різання. Якщо задня поверхня фасонної фрези складається з кількох ділянок, що мають злам по границям спряження (у випадку на рис.3 це лінії EF та OM), то необхідно кілька операцій для її виготовлення.

На двокоординатних електроерозійних верстатах дріт-електрод не може відхилятися від вертикального положення, тому був сконструйований пристрій, який повертає на потрібний кут деталь, що обробляється, забезпечуючи необхідну взаємну орієнтацію дроту-електроду і деталі.

Точність відтворення геометричних параметрів заданої поверхні за такою методикою становить 0,030 - 0,038 мм, криволінійної ріжучої кромки 0,1 - 0,2 мм.

Для підвищення точності обробки необхідно врахувати прогин дроту-електроду для різних швидкостей руху верхнього і нижнього вузлів фіксації. Задача визначення прогину дроту-електроду вирішена для випадку нерівномірного розподілу швидкості зйому матеріалу по товщині деталі, що обробляється. Отримано вираз для розрахунку прогинів дроту-електроду в кожній точці для ділянки навантаження [a,b]:

(5)

де прийнято при та при ; де - початковий натяг дроту-електроду, l - відстань між вузлами фіксації дроту, q₁ та q₂ - відповідно мінімальне та максимальне навантаження на дріт-електрод, які обраховуються за формулами

для сталей:

(6)

для твердих сплавів:

(7)

де - перепад тиску (враховується відмінність робочого тиску промивання (P_пр) від тиску промивання при проведенні вимірів P_пр2.5); P_пр2.5 - перепад тиску між МЕП (міжелектродним проміжком) і задньою поверхнею дроту-електроду при P_пр =2.5·10⁵Па; , - коефіцієнт динамічної в'язкості і густина робочої рідини; - мінімальний розмір перетину виходу робочої рідини з МЕП; h - висота різу.

Форма дроту-електроду розраховується за формулою (5) в середовищі САПР в кожний момент в залежності від швидкостей різання та інших параметрів електроерозійної обробки (6), (7) на протязі всього технологічного процесу, що проектується. По визначеній формі кривої прогину дроту-електроду проводиться мінімізація відхилення отриманої поверхні від спроектованих поверхонь фрези (рис.3). Це в свою чергу коригує функції та кутів з осями координат, які визначають положення дроту-електроду в кожний момент часу, що дало змогу підвищити точність виготовлення задньої поверхні фрез до 0.02-0.03 мм. Внаслідок цього зменшилась паразитна площа тертя задньої поверхні фрез з матеріалом, що обробляється, зменшився тепловий потік в тіло інструменту приблизно на 20%, що позитивно позначилось на його стійкості.

П'ятий розділ присвячений розробці технології електроерозійного виготовлення складнопрофільних ріжучих частин інструменту.

Для параметрів електричних імпульсів генератора типу ГКІ300-200А розроблена база даних технологічних режимів чорнового електроерозійного різання фасонних фрез із інструментальних сталей та твердих сплавів, що забезпечують максимально можливу продуктивність зйому матеріалу при реалізації режимів різання з відключеним регулятором подачі. Адаптивний регулятор подачі зупиняє дріт-електрод, якщо швидкість руху останнього перевищує швидкість електроерозійного знімання матеріалу. В результаті цього, в місцях зупинок на поверхні деталі утворюються вертикальні виямки, негативна дія яких відразу ж помітна при експлуатації інструменту.

Для подолання цієї проблеми експериментально були визначені межі максимально можливої продуктивності електроерозійного різання для різних марок інструментальних сталей та твердих сплавів на чорнових режимах генератора з відключеним регулятором подачі.

За допомогою САПР розраховується оптимальна швидкість руху електроду послідовно для кожної ділянки, що обробляється, в залежності від її товщини та об'єму матеріалу, що видаляється. Це дало можливість збільшити продуктивність обробки на 15-30%.

Після першого проходу електроерозійної вирізної обробки отримано рівномірну поверхню, а застосування багатопрохідних чистових режимів, забезпечує шорсткість задньої поверхні ріжучих елементів фрез в межах R_а=0,85-1,0 мкм.

При розробці технологічних процесів електроерозійного різання твердих сплавів серії ВК враховувалась мікроструктура матеріалу вихідної заготовки. Зерна карбіду вольфраму в твердосплавному матеріалі фірми “Sandvik Coromant” мають розміри 1 - 5 мкм. Значно більшу неоднаковість розмірів зерен мають твердосплавні пластинки вітчизняних виробників. Окремі зерна можуть сягати розмірів до 30 мкм. Слабка електропровідність цих зерен суттєво ускладнює електроерозійну обробку. На чорнових режимах генератора окремі великі зерна вольфраму не руйнуються, а відхиляють дріт-електрод, внаслідок чого на поверхні обробленої деталі з'являються виступи.

Для подолання цієї проблеми були розроблені спеціальні технологічні прийоми. Розрахована енергія зв'язку кристалу карбідів вольфраму, що являє собою різницю між повною енергією кристалу і енергією його ізольованих нейтральних атомів. Для зерен розмірами 30 мкм б-WC з ГЦУ решіткою, в-WC з ГЦК решіткою та W₂C з ГПУ решіткою енергія зв'язку становить 1,7-2 мДж. Базуючись на гіпотезі про те, що зруйнувати такі зерна на окремі кластери можуть тільки електричні імпульси зі співрозмірним або вищим значенням енергії, визначено вимоги до параметрів імпульсів. При амплітуді імпульсного струму I_a = 72А, робочій напрузі U_p = 59В, енергія, що йде на руйнування матеріалу становить 3,7 мДж, при I_a= 76А, U_p = 62В, енергія 4,05 мДж. Тривалість імпульсів в обох випадках 3мкс. Ці параметри відповідають режимам 1-4, 2-4 генератора ГКІ300-200А. Тому перші чорнові проходи, згідно розробленої методики, слід виконувати на цих режимах. Такі імпульси найбільш глибоко проникають в глибину матеріалу, що обробляється, і “перфорують” поверхню (рис.7б). Товщина такого розпушеного шару складає 30-40 мкм, що достатньо для руйнування механічної міцності сполуки (зв'язки) навіть самих великих зерен з основою.

Далі необхідно виконати 2-3 чистових проходи з відповідними еквідістантами на шліфувальних напівчистових та чистових режимах (частота 44, 200 кГц, струм 10-23А) і зняти отриманий шар S (рис.7в). Кінцева шорсткість обробленої поверхні твердих сплавів становить R_а = 1,0, що відповідає вимогам до задньої поверхні ріжучих частин фрез згідно таблиці 1.

У шостому розділі приведені дані практичної реалізації роботи в інтегрованому виробничому комплексі по виготовленню деталей дерев'яного декору фасонними фрезами.

Технологія електроерозійного формування непрофільованим дротяним електродом фасонних кінцевих фрез, що розроблялася, разом з технологією обробки і математичним апаратом проектування рельєфів в середовищі сучасних САПР становлять науково-технічну основу інтегрованого виробничого комплексу проектування та виготовлення рельєфних деталей художнього дерев'яного декору.

Після вводу графічної інформації в САПР відбувається проектування рельєфних поверхонь з урахуванням їх виготовлення фасонними кінцевими фрезами. Паралельно проектуються відповідні конфігурації фасонних фрез. Далі будується задня поверхня ріжучої частини фрез згідно вимог таблиці 1 по методиці розділу 4 даної роботи і проектується технологічний процес виготовлення фрез на електроерозійному верстаті СЕЛД-02. Керуючі програми виготовлення рельєфних поверхонь разом з відповідним інструментом передаються в трикоординатний фрезерувальний верстат з ЧПК СМ600-Ф4 виробництва НВП “Ротор” (м. Черкаси), що забезпечує високу продуктивність виготовлення деталей завдяки використанню чотирьох високообертових шпінделів одночасно.

Інтегрований виробничий комплекс запроваджений на підприємствах України, що підтверджено відповідними Актами впровадження. Зокрема на Черкаському деревообробному комбінаті освоєно випуск наборів експериментальних корпусних меблів “Богдан”, “Меліса”, “Берегиня”, меблевого набору для спальні та інших, в оздобленні фасаду яких застосовуються декоративні елементи. Один інтегрований комплекс по виготовленню різьблених деталей здатний забезпечити випуск приблизно 400-500 меблевих наборів в місяць при двозмінній роботі.

Інтегрований виробничий комплекс успішно працює на приватних фірмах, підприємствах середнього та малого бізнесу, де важливими є якість і художній рівень меблів та столярних виробів з натуральної деревини і з'являється можливість збільшення частки наукоємкої роботи, вкладеної у виріб, на відміну від частки сировини в собівартості продукції.

Декоративні різьблені елементи (рис.9), виготовлені за запропонованою в роботі технологією, використовувались при оздобленні іконостасів Свято-Михайлівського та Успенського соборів. Декоративні деталі оформлення інтер'єрів використовувались при реконструкції комплексу станції Київ-Пасажирський Південно-Західної залізниці, Адмінбудинку Адміністрації Президента України, Палацу з Химерами архітектора Городецького В.В.

Основні висновки

1. В результаті проведених теоретичних та експериментальних досліджень створено фізико-технологічні основи систем автоматизованого проектування двох технологічних процесів: електроерозійного дротяного виготовлення фасонного інструменту і технологічного процесу різання інструментом на високих обертах (до 72000 об/хв), що забезпечили інструменту прогнозований період стійкості та якість обробленої поверхні і суттєво підвищили продуктивність виготовлення рельєфних форм.

2. Розроблена методика проектування процесу формоутворення при електроерозійній обробці непрофільованим дротяним електродом складнопрофільних фрез шляхом застосування математичного методу апроксимації задньої поверхні ріжучих частин поверхнями другого порядку, що мають лінійну твірну.

3. Визначені аналітичні залежності прогину дроту-електроду від технологічних чинників електроерозійної обробки при різних швидкостях руху вузлів фіксації, що дозволило компенсувати прогин за рахунок коригування траєкторії руху на етапі проектування та підвищити точність виготовлення поверхонь ріжучих частин фрез з 0,030 - 0,038 мм до 0,02 - 0,03 мм.

4. Встановлені енергетичні характеристики імпульсів іскрового розряду при електроерозійній обробці твердих сплавів серії ВК, що достатні для розщеплення на окремі кластери зерен карбіду вольфраму розміром до 30 мкм.

5. Доведено, що електроерозійний метод виготовлення фасонних фрез забезпечує необхідну точність відтворення їх форми та шорсткість поверхні для інструментальних сталей R_а=0,85-1,0мкм, для твердих сплавів серії ВК R_а=1,0-1,3 мкм, які достатні для експлуатації фрез на високообертових режимах різання матеріалів з теплопровідністю до 3.5·10^-5Вт/(м·град). Сформована електроерозійним методом геометрія задньої поверхні ріжучих частин допускає перезаточування по передній грані, що подовжує період експлуатації фрез в 5-7 разів.

6. Розраховано розподіл теплових полів на основі запропонованої математичної моделі з використанням конформних відображень теорії функцій комплексної змінної, що повністю враховує криволінійні границі ріжучих частин; виявлена залежність інтенсивності відводу тепла з зони різання від форми фрез і встановлені максимально продуктивні режими різання та періоди стійкості фрез.

7. Побудовані модулі САПР технологічних процесів проектування формоутворення при електроерозійній вирізній обробці фасонних кінцевих фрез з твердих сплавів серії ВК та інструментальних сталей на верстаті СЭЛД-02. Створені модулі САПР, що забезпечують проектування режимів з максимальною стійкістю інструменту при високій продуктивності різання, з дотриманням необхідної якості обробленої поверхні, і які дають можливість значно підвищити продуктивність виготовлення рельєфних деталей фасонними фрезами.

8. Створено інтегрований виробничий комплекс для електроерозійного виготовлення складнопрофільного інструменту та обробки рельєфних деталей художнього декору, що знайшов широке впровадження у виробництві.

електроерозійний ріжучий фреза

Основні положення дисертації опубліковано в роботах:

Плахотний О.П., Поляков С.П. Формування твердосплавних різальних елементів фасонного інструменту за допомогою електроерозійної обробки // Вісник Черкаського інженерно-технологічного інституту. - 1998. - №1. - с.62-66.

Дисертантом розроблена методика автоматизованого проектування електроерозійного формоутворення непрофільованим дротяним електродом ріжучих частин фасонних кінцевих фрез.

Осипенко В.І., Плахотний О.П. Розрахунок прогину дротяного електрода при 4-координатній електроерозійній різці // Експрес-новини: наука, техніка, виробництво. - 1997. - №19-20. - с.17-18.

Дисертантом побудована математична модель прогинів дротяного електрода при різних швидкостях руху верхнього і нижнього вузлів фіксації в процесі електроерозійного різання, проведено розрахунки.

Плахотний О.П., Поляков С.П. Удосконалення математичного апарату опису криволінійних контурів у САПР // Вісник ЧІТІ. - 2000. - №1. - с. 101-104.

Дисертантом запропонована методика математичної апроксимації кривих Безьє, що значно зменшує об'єм керуючих програм технологічного процесу виготовлення художніх деталей фасонними фрезами.

Поляков С.П., Осипенко В.И., Плахотный А.П., Тригуб О.А. Термоупругая модель внутриэлектродных процессов электроэрозионной технологии // Прогрессивные технологии и системы машиностроения: Международный сборник научных трудов. - Донецк: ДонГТУ, 2001. - Вып. 17. - с. 168-171.

Дисертантом поставлена крайова задача термопружності для дротяного електроду, проведені розрахунки термопружного стану електроду для умов електроерозійного різання повного зйому.

Осипенко В.І., Плахотний О.П., Ступак Д.О., Цвітохін М.С. Підвищення точності чотирикоординатної електроерозійної обробки складноконтурних деталей // Вісник ЧДТУ. - 2002. - №1. - с. 56-60.

На основі запропонованої дисертантом математичної моделі розроблена методика розрахунку та компенсації прогинів дроту-електроду при електроерозійному різанні інструментальних сталей та твердих сплавів.

Осипенко В.И., Плахотный А.П., Поляков С.П. Исследование прогибов проволочного электрода-инструмента и оптимизация стратегии обработки сложноконтурных деталей // Тезисы докладов на Международной конференции посвященной 100-летию КПИ "Высокоэффективные технологии в машиностроении" /,- Алушта, сентябрь 1996г.

Дисертантом розроблені математичні моделі прогину дроту електроду при двохкоординатному електроерозійному різанні з врахуванням пружності матеріалу електроду та без врахування пружності.

Осипенко В.И., Плахотный А.П., Поляков С.П. Математические и технологические аспекты САПР 4-х координатной электроэрозионной обработки // Тезисы докладов научно-технической конференции "Оснастка-97" / - 20-21 марта 1997г., г.Киев, с.33-35.

Дисертантом побудовані модулі САПР, що враховують основні фізичні закономірності технологічних процесів електроерозійного дротяного різання при складанні керуючих програм.

Осипенко В.И., Плахотный А.П., Поляков С.П. Моделирование и управление технологическим процессом 4-х координатной электроэрозионной обработки. // Праці 4-тої Української конференції з автоматичного управління "Автоматика - 97" / - 23-28 червня 1997р., м.Черкаси, Том V, с.70

Дисертантом проведені обчислювальні експерименти по моделюванню технологічного процесу 4-х координатної електроерозійної обробки.

Плахотный А.П., Поляков С.П., Постригань С.П. Электроэрозионная обработка и эксплуатация фасонных фрез // Материалы конференции "Высокоэффективные технологии в машиностроении" / 28-30 октября 1998г., г.Харьков, с.69.

Дисертантом проведені експериментальні дослідження впливу електроерозійної обробки фасонних фрез на їх експлуатаційні характеристики.

Поляков С.П., Карогодский А.И., Осипенко В.И., Юхмич Т.Б., Плахотный А.П. Автоматизированный электроэрозионный вырезной станок на линейных двигателях с газовой смазкой в направляющих // Тезисы докладов научно-технической конференции "Аэрокосмический комплекс: конверсия и технологии" / 11-14 сентября 1995г., г.Житомир, с.103-104.

Дисертант розробив модулі САПР автоматизованої підготовки керуючих програм технологічного процесу електроерозійного різання на верстаті СЭЛД-02.

Тригуб О.А., Плахотный А.П. САПР в интегрированном производственном комплексе // Тезисы докладов второй межвузовской студенческой научно-технической конференции "Техническая эстетика и графика" / 4-7 октября 1999г., г.Севастополь, с.16-17.

Дисертантом створені основні алгоритми САПР інтегрованого виробничого комплексу по виготовленню фасонних кінцевих фрез та деталей художнього дерев'яного декору.

Размещено на Allbest.ru

...