Фізико-технологічні основи електроерозійного дротяного вирізання

1) зниженням поверхневого опору післяпробійному розширенню каналу розряду через зменшення в'язкості та сил поверхневого натягу робочої рідини при наявності ПАР;

2) додатковим відтисканням границі каналу розряду електронами, що розсіюються, через наявність полярних плівок ПАР, які утворюються на поверхні каналу.

З дією розглянутих механізмів добре корелює той факт, що максимальне розширення каналу розряду спостерігається при обробці в середовищі водних розчинів ПАР амфолітного типу, які забезпечують мінімальні величини поверхневого натягу і в'язкості та якнайбільші товщини полярної плівки на поверхнях розділу фаз.

Таким чином, застосування водних розчинів ПАР є ефективним засобом керованої зміни геометричних розмірів та інтенсивності плоского осесиметричного джерела тепла, яким є канал розряду. Багато дослідників відзначали, що за умов, близьких до ЕЕДВ, викид значної частки розплавленого матеріалу має деяку затримку по відношенню до кінця імпульсу струму. Початок викиду співпадає з обрушенням каналу розряду і різким падінням тиску в газовій порожнині, що його оточує. Звідси можна зробити логічний висновок, що ефективний викид рідкого металу з ерозійної лунки можливий лише за умови різкого падіння тиску в районі електродної плями і його причиною, найвірогідніше, можуть бути сили, пов'язані з перегрівом та закипанням розплаву в ерозійній лунці, та дією на розплав реактивної сили парового струменя на фоні різкого падіння тиску в газовій порожнині. При справедливості даної умови градієнт падіння заднього фронту струму розряду (крутизна) впливає на величину частки розплавленого металу, що викидається з ерозійної лунки. Чим швидше припиняється подача енергії в канал, тим кращі умови створюються для викиду рідкого металу з ерозійної лунки, і, відповідно, знижується енергоємність, та зростає загальна продуктивність процесу.

Наведений аналіз, а також результати експериментальних досліджень умов пробою рідини та балансу енергії в МЕП були втілені в технічні рішення, захищені патентами України [32; 33]. Суть запропонованих ідей полягає в тому, що силовий блок ГКІ комплектується двома джерелами живлення: низьковольтним (Umax ~120 - 200 В) і відносно малопотужним (Іmax < 30 А) та високовольтним (Umax ~300 - 800 В), потужним (Іmax ~ 200 - 1000 А). Новизна застосування двох джерел живлення в умовах ЕЕДВ полягає у двох моментах:

1) пробій МЕП виконується низьковольтним малопотужним силовим блоком, що забезпечує роботу в зоні оптимальних з точки зору теплової асиметрії одиничного розряду МЕП і, відповідно, не призводить до зростання ширини різу;

2) у визначенні моментів та умов ввімкнення-відключення та зміни полярності ввімкнення потужного високовольтного силового блока.

Алгоритм визначення моменту підключення до МЕП потужного високовольтного силового блока було розроблено за результатами експериментальних досліджень умов пробою, виконаних в даній роботі. Вказане підключення може відбутися при виконанні двох умов:

1) крутизна наростання переднього фронту напруги від низьковольтного джерела живлення не повинна відрізнятися більш ніж на 5 % від попередньо зафіксованої напруги холостого ходу до U ~ 45 ±5 В;

2) в діапазоні від U ~ 45 ±5 В до U ~ Umax ±5 В струм розряду Іmax > 10 A.

Лише при виконанні наведених умов відбудеться підключення МЕП до потужного силового блока. Таким чином, усі аномальні імпульси (пробій по частинці, пробій МЕП з неефективним розподіленням енергії розряду, короткі замикання) проходять при Іmax < 30 А, практично не впливаючи на тепловий стан ДЕІ, і лише за умов пробою, що близькі до оптимальних, відбувається вкачування в МЕП необхідної для конкретного режиму різання потужності, тим самим забезпечуючи зростання продуктивності та стабільності процесу різання. Відключення джерела живлення від МЕП відбувається при досягненні струмом розряду максимального значення, заданого для конкретного режиму вирізання. З результатів чисельного моделювання теплових процесів у зоні дії електродних плям розряду зрозуміло, що на задньому фронті імпульсу існує момент, коли утворюється рівновага між енергією, що ще надходить в канал розряду з електричної схеми генератора, витратами на підтримання плазми каналу та тепловідводом в електроди і діелектрик, тобто рух границь фазових переходів практично припиняється. Очевидно, це і є правильний момент для підключення до електродів джерела зворотної полярності з метою пришвидшення обрушення плазми каналу та падіння тиску в утвореній газовій порожнині.

З урахуванням наведеного був розроблений та виготовлений експериментальний генератор (МГКІ-1М) з двома силовими блоками та системою керування, робота якої заснована на запропонованих алгоритмах. Момент підключення до МЕП джерела зворотної полярності задавався за коефіцієнтом, що розраховувався як відношення поточного струму на задньому фронті до його амплітудного значення. Була проведена серія експериментальних досліджень характеру ерозійного руйнування електродів та дисперсного складу продуктів ерозії на основі методу сединоментометричного аналізу з врахуванням специфіки поставленої задачі. Отримані результати показали, що найбільший вплив на загальний об'єм утворених на аноді ерозійних лунок та коефіцієнт викиду металу спостерігається при підключенні до електродів джерела зворотної полярності в момент, коли струм розряду становить 50 - 60 % від амплітудного значення (рис. 9).

За даних умов об'єми ерозійних лунок на аноді зростають у середньому (результати 12 дослідів) на 8 - 12 % при проходженні розряду у воді та на 20 - 26 % - у ВР ПАР амфолітного типу (рис. 8в). Результати сединоментометричного аналізу дисперсного складу продуктів ерозії підтвердили, що збільшення об'єму ерозійних лунок відбувається за рахунок зростання ефективності викиду з лунки рідкої фази. Зокрема, при обробці у ВР ПАР амфолітного типу за рахунок керування заднім фронтом струму розряду було отримано коефіцієнт викиду металу (К_вик ~ 0,77), що є найкращим результатом з відомих на 2004 р., за даними AGIE Company (~ 0,6, технологія eCut).

До теперішнього часу на основі досліджень характеру одиничної ерозійної лунки отримано базові закономірності утворення нової поверхні в результаті взаємного перетину лунок та встановлено зв'язки між шорсткістю поверхні та характерними розмірами ерозійної лунки і топографією її дна. Таким чином, для забезпечення прийнятної точності розрахунків та прогнозування параметрів шорсткості поверхонь, отриманих у результаті ЕЕДВ, необхідна більш детальна інформація про особливості геометрії одиничних ерозійних лунок. Для вирішення даної задачі проведено комплекс експериментальних досліджень геометричних характеристик ерозійних лунок, отриманих за різних умов обробки (дослідження дна лунок за допомогою трикоординатного цифрового мікроскопа XS2-H3). Узагальнення отриманих топографій дна лунок показало, що профіль одиничних лунок, отриманих у воді, має від 5 до 8 викривлень на обох електродах. Висота викривлень на 20 % менша за глибину одиничної лунки. При підвищенні ефективності видалення розплаву за інших рівних умов кількість та величина викривлень відповідно зменшуються, а продуктивність обробки підвищується. При обробці в середовищі ВР ПАР порівняно з обробкою у воді спостерігається зменшення кількості та розмірів викривлень. Результати отримані при дослідженнях одиничних та групових ерозійних лунок, добре корелюють із результатами досліджень топографії та шорсткості поверхонь, отриманих при реальній обробці зразків зі сталі 12Х18Н10Т у воді та ВР ПАР. У міру зростання концентрації ПАР висота нерівностей падає, згладжується загальний мікрорельєф поверхні. Топографія поверхні стає більш однорідною, з меншою кількістю напливів. Таким чином, за один чорновий технологічний прохід (Еі = 4,5 мДж, ti = 1,8 мкс, f = 22 кГц) досягається зменшення шорсткості поверхні з Ra 4,0 - 4,5 мкм до Ra 2,3 - 2,5 мкм.

Відомо, що крім ефективності ерозійного руйнування заготовки важливе значення для продуктивності та стабільності ЕЕДВ мають параметри газогідродинамічних процесів у МЕП та умови теплообміну між ДЕІ та робочим середовищем. До нинішнього часу процеси утворення та видалення з МЕП газопарової суміші вивчені недостатньо. Для керованого впливу на процеси утворення та винесення газопарових бульбашок необхідно встановити зв'язок розмірів бульбашок з енергетичними характеристиками іскрових розрядів, дослідити динаміку зміни розмірів та процеси евакуації бульбашок із МЕП. Розроблені методики та спеціальне обладнання дозволили виконати комплекс експериментальних досліджень процесів утворення та евакуації газопарової суміші з МЕП. Вимірювання проводилися для трьох режимів генератора з енергіями імпульсів 2 мДж, 3 мДж та 4 мДж на фіксованих значеннях тривалості імпульсу 1 мкс, 2 мкс, 3 мкс. Тиск подачі насоса промивки Р_н становив 2,5^.10⁵ Па і 5^.10⁵ Па. Для кожного режиму було проведено 20 вимірювань. Похибка при встановленні розмірів бульбашок не перевищувала 6 %.

Встановлено, що утворення парової плівки в МЕП, що призводить до обриву ДЕІ, відбувається внаслідок існування бульбашок, що утворюються в результаті кипіння робочої рідини на поверхні ерозійної лунки після схлопування каналу іскрового розряду. Діаметр цих бульбашок слабо залежить від енергії імпульсу. Із зростанням енергії імпульсу від 2 до 4 мДж діаметр бульбашки зростає на 5 %. Значно більше на розмір бульбашки впливає тривалість імпульсу (рис. 10). Бульбашки зароджуються біля нагрітої поверхні ерозійної лунки, причому їх форма, розміри та частота появи залежать від ряду факторів: в'язкості, тиску та швидкості циркуляції рідини, температурного напору від перегрітих ділянок електродів. Діаметр в момент відриву від поверхні:

, (12)

де - кут змочування поверхні рідиною; - поверхневий натяг рідини; _р, _п - відповідно густина рідини та пари.

Розміри парових бульбашок змінюються під час їх руху в МЕП. Зміна розміру парової бульбашки обумовлена:

- об'єднанням бульбашок як одного, так і різних типів;

- зменшенням температури і тиску всередині бульбашки;

- частковою конденсацією при винесенні з МЕП.

Об'єднання відбуваються на бокових поверхнях МЕП, що не впливає на стабільність ЕЕДВ. З подальшим зростанням діаметра, швидкість бульбашок знижується, вони об'єднуються в передній зоні, що призводить до утворення парової плівки і, як наслідок - перегріву та обриву ДЕІ.

Швидкість поперечного руху бульбашок:

, (13)

де - коефіцієнт, що залежить від відношення діаметра бульбашки до розміру МЕП, швидкості та в'язкості робочої рідини; V_р - швидкість поперечного обтікання робочої рідини.

Для кожного значення підведеної енергії, розміру МЕП та тривалості іскрового розряду існує критичне значення швидкості бульбашок Vб, нижче якого спостерігається заповнення газопаровою сумішшю локальної ділянки МЕП, що призводить до обриву ДЕІ. Із (13) зрозуміло: збільшити Vб можна за рахунок коефіцієнта чи за рахунок Vр. В цьому плані достатньо ефективним є метод збільшення обох параметрів за рахунок зміни фізико-хімічних властивостей робочої рідини при обробці в середовищі ВР ПАР. Як видно з (12), на діаметр парових бульбашок значно вливає поверхневий натяг рідини, в якій вони утворюються, та крайовий кут змочування, ці параметри змінюються при введенні ПАР до РР. При кипінні рідини спостерігається вплив ПАР як каталізаторів на процес утворення зародків та зміну змочування поверхні теплообміну. Помітно зростає Vр, що обумовлено зменшенням в'язкості робочої рідини та гідравлічного опору щілинних зазорів через ламініризацію та стоншення пограничних шарів. Із введенням ПАР суттєво змінюється значення величини опору руху бульбашки. Значення величини опору руху визначається внутрішньою циркуляцією в бульбашці, внаслідок напруги зсуву. При наявності ПАР проходить суттєва зміна напруг зсуву. В результаті розміри бульбашок зменшуються від 23 - 28 до 8 - 12 мкм, зростає швидкість їх руху, покращуються умови евакуації, зменшується ймовірність обриву ДЕІ..

В попередніх роботах при розрахунках температурного поля ДЕІ вважалося, що охолодження поверхні електродів проходить лише за рахунок конвективного теплообміну. Експериментальні дослідження процесів утворення та евакуації газопарової суміші показали, що поверхня ерозійної лунки, крім конвекції, додатково охолоджується за рахунок теплообміну при зміні агрегатного стану рідини, тобто при кипінні. Частку теплообміну при кипінні рідини визначено через виміряний об'єм утвореної пари. Значення уточненого коефіцієнта теплообміну:

. (14)

При цьому

, (15)

. (16)

де _р, µ_р - відповідно теплопровідність та в'язкість рідини; _п - густина пари, Pr - критерій Прандля; - коефіцієнт, що дорівнює відношенню площі лунки, на якій спостерігається кипіння, до загальної площі лунки; k_v - коефіцієнт, що залежить від швидкості робочої рідини; r - питома теплота пароутворення; d_б - діаметр парових бульбашок; Т_нп - середній температурний напір; h - висота паза, що прорізається; д - геометрична величина МЕП.

Розрахунки за (14) - (16) дозволяють визначити гідродинамічні умови для досягнення максимальних значень б_? уникаючи надмірних швидкостей РР при промиванні МЕП.

В ході дослідження інтегральних показників ЕЕДВ із використанням розробленої методики визначення параметрів енерговиділення в МЕП у режимі реального часу встановлено, що за рахунок керованої зміни просторово-енергетичних характеристик поверхневого джерела тепла на аноді, удосконалення механізмів викиду рідкого металу з ерозійної лунки, покращення теплових та гідродинамічних умов МЕП і відповідного збільшення коефіцієнта використання імпульсів досягається зниження на 20 - 30 % енергоємності процесу різання сталі, зниження шорсткості утворених поверхонь з Ra 4,0 - 4,5 мкм до Ra 2,3 - 2,5 мкм, збільшення продуктивності обробки в 2 - 2,5 разу.

П'ятий розділ присвячено дослідженню механізмів виникнення обривів дроту та створенню статистичних математичних моделей і методів розрахунку режимів вирізання максимальної продуктивності при безобривній обробці. На практиці для більшості режимів ЕЕДВ повного зйому максимальне значення потужності, що вводиться в МЕП, обмежується межею міцності на розрив дротяного електрода-інструмента. Одним із рішень, що дозволяє підвищити продуктивність обробки без збільшення вартості технологічних систем обладнання є узгодження теплового навантаження, що подається на локальну ділянку ДЕІ, зі спроможністю середовища видалити теплоту з проміжку. З метою пошуку умов, що забезпечують підвищення продуктивності та стабільності електроерозійного вирізання, проведені теоретичні дослідження температурного режиму локальної ділянки дроту. Процес розглянуто як задачу про нагрівання нескінченного циліндра аперіодичним джерелом енергії в довільній точці поверхні, охолодження шляхом теплопровідності вглиб матеріалу електрода та теплообміну з робочою рідиною. Система диференціальних рівнянь, що описує розповсюдження тепла в ДЕІ, має такий вигляд:

 (17)

де - тривалість імпульсу; у - коефіцієнт кривої Гаусса; z₀, и₀ - координати центра катодної плями на поверхні ДЕІ; _? - коефіцієнт тепловіддачі, Вт/(м²К) (коефіцієнт тепловіддачі суттєво залежить від гідродинамічних умов в МЕП та температури середовища і тому розраховується в будь-який момент часу для кожної точки на поверхні дроту за (14) - (16)); T_s - температура поверхні ДЕІ у визначеній точці; T_ср - температура середовища; Е_кт - енергія розряду, відведена в тіло електрода.

Точні розв'язки даної системи найбільш доцільно отримати методом скінченних різниць при реалізації скінченнорізницевої схеми рішення. В результаті розрахунків за запропонованою математичною моделлю отримано графічні залежності, що показують динаміку зміни температури кожної точки обраної ділянки дроту від дії одиничного імпульсу, групи імпульсів, що проходять в одній точці, або з рівною вірогідністю в будь-якій точці даної ділянки за різних умов обробки.

Для спрощення графічного матеріалу розглянемо динаміку зміни температури в точці з координатами (и = 0, r = 0,05 мм, z = 0), температура якої є найбільш близькою до середньої по перетину. Як видно з графіків, зображених на рис. 11, швидкість зростання та рівноважне значення температури для Е_кт ~ 0,18 мДж визначаються частотою проходження розрядів та величиною коефіцієнта тепловіддачі. В реальному процесі різання за рахунок утворення газових пухирів у МЕП може відбуватися швидка зміна коефіцієнта тепловіддачі в зоні локалізації розрядів. При цьому дійсна температура перетину в будь-який момент часу знаходиться в зоні, обмеженій кривими 1 та 3 (в області досліджених режимів нагрівання локальної ділянки ДЕІ до небезпечної температури можливе лише за умови її перебування достатній час у газопаровій суміші).

Таким чином, для вирішення практичних завдань прогнозування найбільш ефективних режимів безобривного вирізання необхідно отримати експериментальні статистичні багатофакторні моделі, що пов'язують енергетичні і часові параметри імпульсів та гідродинамічний стан МЕП із продуктивністю обробки за умови безобривності процесу вирізання. Попередній аналіз технологічних параметрів процесу вирізання дозволив виявити фактори та межі їх зміни, що найбільш суттєво впливають на тепловий стан локальної ділянки ДЕІ. Це - тривалість імпульсу t_і - (Х₁), мкм; амплітуда робочого струму I_р, - (Х₂), А; швидкість омивання робочою рідиною ДЕІ V_р - (Х₃), м/с; діаметр дроту d_деі - (Х₃) мм; частота проходження імпульсів f_р- (Х₄), кГц.

Після проведення багатофакторних експериментів та обробки даних були отримані статистичні залежності, що пов'язують критичну кількість імпульсів, проходження яких у мінімально можливій локальній зоні гарантовано не призводить до руйнування ДЕІ, з обраними факторами процесу:

- для латунного ДЕІ з оксидним покриттям

(18)

- для латунного ДЕІ без покриття

(19)

- для латунного ДЕІ з цинковим покриттям фірми “AGIE”

(20)

де х₁ = 1,667(Х₁ - 1,6); х₂ = 0,025(Х₂ - 80); х₃ = 0,3125(Х₃ - 9,6); х₄ = 20(Х₄ - 0,25);

х₅ = 0,0227(Х₅ - 88).

Залежності, що описуються формулами (18) - (20), було закладено в експериментальну систему керування генератором МГКІ-1 та розроблено план експериментів для визначення реальної продуктивності безобривної обробки. Після проведення процесу різання було визначено об'єм матеріалу деталі, що був видалений, і розраховано досягнуту продуктивність різання. Статистичний аналіз експериментальних даних дозволив отримати рівняння регресії, що пов'язують продуктивність обробки Q з обраними параметрами процесу:

- для латунного ДЕІ з оксидним покриттям

(21)

- для латунного ДЕІ без покриття

(22)

- для латунного ДЕІ з цинковим покриттям фірми “AGIE”

 (23)

айбільший вплив на продуктивність мають сила струму, комбінація тривалості та частоти імпульсів, тривалість імпульсу, частота імпульсів, комбінація тривалості імпульсу і сили робочого струму. Графік залежності продуктивності вирізання від тривалості та частоти імпульсів для дроту з оксидним покриттям діаметром 0,2 мм, швидкості робочої рідини 12,8 м/с та амплітуди струму 120 А наведено на рис. 12.

Отримані експериментальні статистичні рівняння (21) - (23) визначають залежність продуктивності електроерозійного дротяного вирізання від параметрів обробки та можуть бути ефективно застосовані як для розрахунку параметрів режиму обробки, так і при проектуванні чи модернізації систем керування генераторів технологічного струму.

В шостому розділі дисертації досліджено одну з найбільш важливих проблем ЕЕДВ як технології - спотворення траєкторії різу і форми поверхні, що обробляється. Ці спотворення зумовлені тим, що внаслідок обмеженої жорсткості дротяного електрода-інструмента сили, які створюються розрядами в міжелектродному проміжку, викликають суттєвий прогин дроту. Інтегральна сила, що виникає при різанні, звичайно спрямована у бік, протилежний напрямку подачі. Як наслідок, при зміні напрямку різання траєкторія ДЕІ в зоні обробки може істотно відрізнятися від траєкторії вузлів його фіксації, які переміщуються за допомогою приводу подачі (рис. 13). Спотворення траєкторії різу є проявом відомої проблеми динаміки системи верстат - пристосування - інструмент - деталь. Але у випадку ЕЕДВ до розгляду необхідно включити також МЕП як деякий “пружний” елемент, у той час як деформаціями верстата і пристосування можна знехтувати.

Таким чином, у випадку електроерозійного вирізання має місце проблема динаміки системи деталь - проміжок - ДЕІ. Найбільш ефективним методом вирішення цієї проблеми є формування спеціальної траєкторії переміщення вузлів фіксації ДЕІ, що компенсує спотворення траєкторії різу. Ефективність застосування подібних методів визначається точністю математичного описання викривлення дроту в необхідному перетині різу та траєкторії руху ріжучої ділянки дроту в кутах та на радіусах контуру. Виходячи з цього, була розроблена аналітична методика розрахунку траєкторії руху будь-якої довільної ділянки ДЕІ при чотирикоординатній обробці кутів та радіусів контуру.

Закон руху будь-якого перетину дротяного електрода по висоті різу h (рис. 13) можна описати диференціальним рівнянням вигляду

; (24)

Оскільки в процесі обробки швидкості подачі і процесу збігаються, то величини прогинів f_2(h) у будь-якому перетині по висоті різу h пропорційні швидкості подачі:

(25)

Тобто K_(h) - коефіцієнт, що пов'язує величину прогину в довільному перетині по висоті різу зі швидкістю подачі V_п в рамках лінійної моделі. Початкові умови при обробці кутів можна визначити з виразів:

; , (26)

де - величина оброблюваного кута.

Розв'язок системи диференціальних рівнянь (24) за початкових умов (26) має такий вигляд:

(27)

При обробці радіуса перехід з прямої на радіус

, (28)

де = Vп/R.

Початкові умови при описі переходу з прямої на радіус визначаються з виразів:

. (29)

Розв'язання системи диференціальних рівнянь (24) за початкових умов (29) має такий вигляд:

(30)

де , (рис. 14).

У такий спосіб, можливо програмно розрахувати траєкторію руху ділянки ДЕІ в будь-якому перетині висоти різу h при чотири координатній обробці кутів і радіусів за відомих технологічних умов вирізання та визначити відповідну швидкість подачі та траєкторію руху приводів подачі (R1), при яких спотворення форми деталі не перевищують вимог креслення.

Сьомий розділ присвячено дослідженням та моделюванню електрохімічних процесів, що відбуваються в робочій ванні ЕЕВВ та розробці методів усунення корозійних ушкоджень заготовок. Електроерозійне вирізання в водопровідній воді часто призводить до електрохімічного руйнування поверхні оброблюваної заготовки. При цьому параметри руйнування можуть перевищувати параметри точності контуру. Це стосується не лише зони теплового впливу (вздовж різу), але і всієї поверхні заготовки, зануреної у воду. Виходячи з наведеного, було проведено комплекс експериментальних досліджень особливостей та закономірностей корозії сталевих та твердосплавних заготовок при ЕЕДВ у водопровідній воді.

Встановлено, що при корозії твердих сплавів переважають процеси утворення міжкристалічної та наскрізної корозії, які можуть досягати більше 20 мкм в глибину. При обробці сталевих заготовок корозії піддається не лише конструкційна, а й інструментальна термічно оброблена сталь. У цьому випадку переважають процеси утворення виразкової та пітингової корозії. Корозійні пошкодження, зокрема пітингові каверни, впливають на якість поверхні та механічні характеристики оброблених заготовок. Дослідження механічних характеристик виготовлених деталей показали, що корозійні пошкодження поверхневих шарів, що виникли впродовж чотиригодинного процесу ЕЕДВ, знижують механічні характеристики зразка (межу міцності та твердість поверхні) сталі на 20-35 %, а твердого сплаву - на 12-15 %. Мікронерівності на необроблених поверхнях сталі в зоні пітингової корозії через 4 год. перебування в технологічних умовах ЕЕДВ уніполярними імпульсами збільшуються на два порядки (рис. 15). Таким чином, корозійні явища, що супроводжують процес ЕЕДВ, можуть значно погіршувати якість, точність і експлуатаційні характеристики виготовлених деталей. Весь матеріальний ефект електрохімічної корозії металу заготовки є результатом анодного процесу, інтенсивність якого визначається величиною гальванічного струму, що проходить у системі електрод - деталь. Для кількісної оцінки параметрів корозії заготовки в процесі ЕЕДВ необхідно знати величини гальванічних струмів. Було проведено комплекс вимірювань гальванічних струмів, що проходять через заготовку в процесі ЕЕДВ.

Отримані осцилограми дозволяють шляхом чисельного інтегрування визначити діючий гальванічний струм  I_к , що проходить через заготовку і є основним чинником корозії.

Для уникнення корозії необхідно гальванічний струм I_к звести до нуля. Катодний захист в умовах ЕЕДВ - спосіб попередження корозії шляхом катодної поляризації металу із зсувом його потенціалу у від'ємну сторону (рис. 16). Так, у системі заготовка - джерело постійного струму - додатковий електрод виникає гальванічний струм, що тече в напрямку від додаткового електрода до заготовки I_з. Основна умова захисту заготовки від корозії в утвореній системі

I_з I_к. (31)

кспериментальні дослідження впливу системи катодного захисту на параметри ЕЕДВ виявили як переваги, так і недоліки системи. До переваг варто віднести принципову можливість повного усунення будь-яких корозійних ушкоджень заготовки при невисокій вартості системи. До недоліків - високі вимоги до точності визначення величини захисного потенціалу. Занижений потенціал не забезпечує ефективного захисту, завищений - призводить до осадження домішок робочої рідини (катіонів) на поверхні заготовки та зниження енергії одиничного імпульсу і відповідно продуктивності вирізання. Для вирішення проблеми була розроблена математична модель дифузійних процесів у прианодній зоні. Визначити параметри дифузійних процесів поблизу заготовки-анода дозволяє другий закон Фіка. Проходження струму корозії між електродами в умовах ЕЕДВ - процес нестаціонарний. У нестаціонарному стані розподіл концентрацій іонів залежить не лише від координати, але і від часу. Розглянемо дротяний електрод-інструмент (катод), заготовку (анод) і робочу рідину (розчин електроліту) як електрохімічну систему. Диференціальне рівняння зміни концентрацій для такої системи має вигляд

, (32)

де с - концентрація іонів; t - час; x - координата; D - коефіцієнт дифузії.

Початкова умова має вигляд (для будь-якого значення х)

. (33)

Для змінного струму гранична умова матиме вигляд

, (34)

де S - площа поверхні анода; F - стала Фарадея; n - валентність іонів реагенту.

Закон зміни струму визначається за допомогою апроксимації експериментально отриманих графіків залежності гальванічного струму від часу

. (35)

де k₁, k₂ - коефіцієнти, що залежать від частотного режиму обробки; I₀ - амплітуда струму.

Для розв'язання задачі було використано метод скінченних різниць. Результати розрахунків показали, що з часом концентрація реагенту поблизу анода зростає, а із збільшенням відстані від поверхні зменшується (рис. 17а). Градієнт концентрації при х = 0 обумовлений струмом корозії. Оцінити величину захисного потенціалу можливо за електропровідністю води або за її хімічним складом:

, , (36)

де d - геометричний зазор між заготовкою та додатковим електродом; л⁰_j - гранична іонна електропровідність; k - кількість видів дисоційованих іонів у робочій рідині; ; c_j - концентрація j-го іона; t_i - тривалість імпульсу; Т - період імпульсу.

Внесення в задачу величини захисного потенціалу призводить до вирівнювання графіка розподілу концентрацій (рис. 17б). Тобто градієнт концентрації на поверхні заготовки прямує до нуля. Захисний потенціал вважається достатнім, коли не спостерігається зміна концентрації реагенту на поверхні анода (координата х = 0), що відповідає відсутності струму корозії. Для перевірки ефективності використання системи катодного захисту та адекватності розроблених методів розрахунку була проведена серія тестових вирізань по сталі (Х12М) та твердому сплаву (ВК 15). Перед початком обробки за допомогою програми розрахунку визначали величину захисного потенціалу, яка забезпечить відсутність корозії електрода-заготовки. Отримані результати (рис. 18) показали, що на поверхнях деталі, як утворених дією розрядів, так і необроблених, відсутні будь-які сліди корозії. Міжкристалічна та наскрізна корозія твердосплавного зразка також не виявлена. Збереглися незмінними межі міцності та твердості матеріалу заготовок. При цьому усунення корозійних процесів отримано практично без зниження продуктивності вирізання.

Восьмий розділ присвячено розробці загальної структури математичного описання фізико-технологічних процесів електроерозійного дротяного вирізання. Структура математичного описання базується на результатах проведеного комплексу експериментальних та теоретичних досліджень (розділи 3 - 7) сукупності електричних, газогідродинамічних, теплових та механічних процесів ЕЕДВ, взаємопов'язаних через робочу зону, тобто на адаптованих до умов ЕЕДВ взаємопов'язаних рішеннях 9 основних задач електроерозійної обробки як комплексного фізико-технологічного процесу. Наведені вище методи визначення та розрахунку умов пробою МЕП, балансу енергії в МЕП, параметрів теплових процесів у зоні дії електродних плям каналу розряду, гідродинамічного стану МЕП, термонапруженого стану ДЕІ, динаміки системи верстат - пристосування - інструмент - деталь для технологічних умов ЕЕДВ, електрохімічних процесів у робочій ванні ЕЕВВ дають можливість за заданими вимогами креслення та технічними і технологічними характеристиками існуючого чи проектованого обладнання визначити основні показники режимів різання повного зйому. Як додаткова умова вноситься концепція досягнення максимально можливої продуктивності вирізання при стабільності та безобривності обробки (що в кінцевому результаті і визначає економічні показники технології).

Структура математичного описання фізико-технологічних процесів ЕЕДВ допускає розробку алгоритмів розв'язання як прямої задачі (досягнення максимально можливої ефективності вирізання при експлуатації обладнання з відомими технічними та технологічними характеристиками), так і зворотної (визначення за необхідними параметрами фізичних процесів у МЕП відповідних технічних характеристик та можливих напрямків модернізації й удосконалення технологічних систем існуючого чи проектованого обладнання).

ЗАГАЛЬНІ ВИСНОВКИ

Сукупність представлених у дисертації результатів експериментальних та теоретичних досліджень процесу ЕЕДВ, нових наукових положень і технічних рішень, отриманих при розв'язанні за умов ЕЕДВ базових задач електроерозійної обробки, становить нове вирішення важливої науково-технічної проблеми зниження енергоємності ЕЕДВ як методу обробки та реалізації продуктивних безобривних прецизійних технологій вирізання на порівняно дешевому технологічному обладнанні за рахунок створеної науково обґрунтованої методології ефективного вдосконалення електричних, газогідродинамічних, теплових та механічних процесів у МЕП і вносить вагомий вклад у розвиток електроерозійних вирізних технологій. Найбільш істотні наукові результати і висновки дисертаційної роботи полягають у такому:

1. Проведеним комплексом експериментальних досліджень умов пробою МЕП отримано експериментальні статистичні моделі, які визначають залежність напруги пробою від фізичних факторів (геометрична величина МЕП, шорсткість взаємодіючих поверхонь електродів, електропровідність та ступінь забруднення робочої рідини продуктами ерозії, тиск та швидкість течії робочої рідини), що впливають на процес виникнення та розвитку каналу розряду в умовах ЕЕДВ. Встановлено ступінь впливу кожного фактора та їх комбінацій на величину напруги пробою МЕП.

2. Досліджено вплив величини міжелектродного проміжку на ефект ерозії та розподіл енергії розряду між електродами. Встановлено, що для кожного енергетичного режиму існує вузька (2 - 4 мкм) зона оптимальних величин МЕП, при яких спостерігається максимальна ерозійна руйнація анода. Зі зменшенням енергії імпульсу максимум ерозії на аноді зміщується в бік малих проміжків. Для енергії імпульсу 4 мДж оптимальний МЕП дорівнює ? 14 мкм, для енергії 10 мДж ? 21 мкм. Вплив величини МЕП може бути настільки суттєвим, що при зміні МЕП від максимального до мінімального значень ерозія анода змінюється в 1,5 - 2,5 рази.

3. Встановлено, що розподіл енергії одиничного іскрового розряду між катодом та анодом в діапазоні тривалості імпульсу 1 - 3,5 мкс та загальної енергії 1 - 10 мДж обумовлюється тривалістю розряду, геометричними розмірами МЕП та фізико-хімічними властивостями поверхневих шарів використаної пари електродів. При цьому теплофізичні властивості поверхневих шарів матеріалу електрода не тільки визначають ерозійну стійкість останнього, але й істотно впливають на розподіл енергії в МЕП. Експериментально визначені кількісні закономірності розподілу енергії іскрового розряду між електродами в залежності від тривалості імпульсу (1...3,5 мкс) і матеріалів поверхневих шарів електродів за умов, характерних для електроерозійного дротяного вирізання. Доведено, що при ЕЕДВ по сталі латунним дротяним електродом марки ДКРПМ ФКТЛ-63, латунним дротом фірми “AGIE” з цинковим покриттям, модифікованим латунним дротом з оксидним покриттям (пат. №32707А) для кожного електрода існує область параметрів режиму різання, що забезпечують максимальну теплову асиметрію одиничного іскрового розряду.

4. На основі чисельного розв'язання нелінійної задачі Стефана розроблена математична модель теплових процесів у зоні дії висококонцентрованого джерела тепла, яка дозволяє для відомих теплофізичних характеристик матеріалу заготовки виконати синтез поверхневого висококонцентрованого джерела, необхідного для досягнення максимальної ерозійної руйнації електрода, та визначити відповідні характеристики імпульсу технологічного струму.

5. Теоретично обґрунтовано та експериментально адаптовано новий спосіб керованої зміни просторово-енергетичних характеристик каналу іскрового розряду і, відповідно, параметрів руйнування електродів та глибини зони структурних змін, який базується на використанні в якості робочої рідини водних розчинів поверхнево-активних речовин. Доведено, що інтенсифікація післяпробійного розширення каналу відбувається за рахунок зниження динамічної в'язкості і величини поверхневого натягу води при наявності ПАР та додаткового відтискання границі каналу розряду в результаті взаємодії розсіяних електронів з утвореними на поверхні каналу полярними плівками ПАР.

6. Експериментально встановлено, що при зростанні діаметра каналу іскрового розряду з ~ 100 до ~ 200 мкм при енергії імпульсу ~ 2 - 10 мДж для пари електродів латунь-сталь зростають об'єми металу анода, що зазнав агрегатних змін (плавлення та випаровування), змінюються параметри механізму видалення продуктів ерозії з ерозійної лунки та їх фазовий склад. При фактичному збільшенні об'єму видаленого зі стального анода матеріалу зменшується висота облямовуючого валика, розміри та кількість викривлень дна лунки, а також зростає відношення діаметра до глибини лунки, що суттєво впливає на шорсткість поверхні. В результаті шорсткість поверхні сталі зменшується з Ra 4,0 - 4,5 мкм до Ra 2,3 - 2,5 мкм.

7. Розроблено принципово новий експериментальний ГКІ (МГКІ - 1М) з двома різнопараметровими силовими блоками та алгоритми керування їх роботою, які забезпечують практичне усунення аномальних (короткозамкнутих та фіктивних) імпульсів та керування градієнтом падіння струму заднього фронту розряду. Експериментально доведено, що існують умови, за яких градієнт падіння заднього фронту струму розряду (крутизна) впливає на величину долі розплавленого металу, що викидається з ерозійної лунки. За рахунок збільшення викиду рідкої фази об'єми ерозійних лунок на сталевому аноді зростають у середньому на 8 - 12 % при проходженні розряду у воді та на 20 - 26 % - у водному розчині ПАР амфолітного типу. При обробці у водному розчині ПАР амфолітного типу за рахунок підбору відповідних фізико-хімічних параметрів робочої рідини та керування заднім фронтом струму розряду було отримано коефіцієнт викиду металу (К_вик ~ 0,77), що є абсолютно кращим результатом з відомих на 2004 р., за даними AGIE Company (~ 0,6, технологія eCut).

8. На основі експериментальних досліджень характеру утворення та виносу з МЕП газопарових бульбашок уточнено механізм теплообміну на поверхні ерозійної лунки після закінчення імпульсу струму шляхом установлення долі теплообміну кипінням. Доведено, що в діапазоні швидкості обтікання поверхні лунки робочою рідиною 0 - 5 м/с коефіцієнт теплообміну при кипінні в залежності від температури поверхні може бути в 10 - 100 разів вище за коефіцієнт конвективного теплообміну.

9. Досліджені гідродинамічні особливості обтікання ДЕІ при використанні в якості робочої рідини водних розчинів ПАР. Встановлено, що домішки ПАР призводять до зменшення в 1,5-2 рази гідравлічного опору щілинного зазору за рахунок ламініризації пограничного шару та зменшення в'язкості рідини. В результаті необхідна швидкість потоку промивання МЕП досягається при більш низьких тисках у гідросистемі верстата.

10. Шляхом математичного та експериментального моделювання досліджені умови, за яких можливе нагрівання локальної ділянки дроту до температур, при яких напруга від натягу перевищує межу міцності матеріалу дроту. На основі розробленої методології створено та апробовано базові експериментальні статистичні моделі, які дозволяють на етапі проектування технологічного процесу вирізання розрахувати поєднання параметрів обробки (тривалість імпульсу, амплітуду робочого струму, частоту слідування імпульсів, кількість імпульсів в групі, тривалість групової паузи, гідродинамічні умови та величину МЕП), що забезпечують імовірність безобривного різання на рівні 95 % при максимальній для обраного типу верстата, генератора технологічного струму та матеріалів електродів продуктивності процесу.

11. Аналітичним шляхом отримано рівняння для розрахунку викривлень ДЕІ від дії зусиль, що виникають при різанні, для випадку чотирикоординатної електроерозійної обробки. Це дозволило шляхом урахування викривлення ДЕІ в будь-якому довільному перетині різу вдосконалити аналітичні методи розрахунку спотворень траєкторії різу при чотирикоординатному ЕЕДВ та підвищити за рахунок синтезу спеціальних траєкторій руху приводів подачі точність чотирикоординатного ЕЕДВ повного зйому з ± 0,05 до ± 0,02 мм без використання систем зворотного зв'язку по величині прогину ДЕІ.

12. Теоретично обґрунтовано та експериментально доведено можливість використання систем катодного захисту для безелектролізної електроерозійної обробки з використанням серійних генераторів квазіуніполярних імпульсів. Отримано формули для визначення величини захисного потенціалу, який забезпечить безелектролізне ЕЕДВ і тим самим виготовлення високоякісних деталей з високими показниками міцності і точності поверхні.

13. Розроблене математичне описання фізико-технологічних процесів ЕЕДВ та програмне забезпечення для комп'ютерного моделювання та розрахунків дозволяють швидко та в достатній мірі адекватності прогнозувати кількісні параметри електричних, теплових, газогідродинамічних та механічних процесів ЕЕДВ, взаємопов'язаних через робочу зону, та визначати їх вплив на кінцеві показники процесу: продуктивність вирізання, точність контуру, шорсткість та якість отриманих поверхонь. Програмне забезпечення має зручний інтерфейс для роботи в операційних системах Windows 9x/NT/2000, орієнтоване на САПР AutoCAD фірми “Autodesk” та мову програмування СЧПК вітчизняних електроерозійних вирізних верстатів моделі СЕЛД.

14. Математичне описання фізико-технологічних процесів ЕЕДВ є науковою основою САПР технологій, технічних рішень прийнятих при проектуванні основних технологічних систем, базових алгоритмів роботи СЧПК та алгоритмів керування енерговиділенням генератора МГКІ-1 дослідного зразка першого вітчизняного чотирикоординатного ЕЕВВ на лінійних приводах з газовим змащенням напрямних СЕЛД 04, розробленого ТОВ “Араміс” в 2004 р. Крім того окремі результати досліджень впроваджено на 5 підприємствах України та 1 підприємстві Росії (підтверджено відповідними актами), що забезпечило покращення на 20 - 100 % кінцевих показників обробки на порівняно недорогому обладнанні, яке не комплектується системами адаптивного керування процесом вирізання.

ОСНОВНІ ПУБЛІКАЦІЇ ЗА ТЕМОЮ ДИСЕРТАЦІЇ

1. Осипенко В.І., Ступак Д.О., Поляков С.П. Дослідження механізмів виникнення обриву дротяного електрода при електроерозійному різанні // Вісник Черкаського інженерно-технологічного інституту. - 2000. - №4. - С. 105 - 109.

Здобувачем запропонована методика досліджень та розроблена принципова схема експериментальної установки.

2. Калейніков Г.Є., Небилиця Ю.М., Осипенко В.І. Візуальний метод дослідження електроерозійного дротяного вирізання // Вісник Житомирського інженерно-технологічного інституту. - 2001. - № 16. - С. 43-48.

Здобувачем розроблена схема експериментальних досліджень параметрів газо-гідродинамічних процесів у МЕП.

3. Небилиця Ю.М., Осипенко В.І. Методика реєстрації енергії імпульсів технологічного струму в процесах електроерозійної обробки // Наукові нотатки, м. Луцьк: ЛДТУ, 2001. - Вип. 9. - С. 183-200.

Здобувачем запропонована методика реєстрації енергії імпульсів в режимі реального часу.

4. Осипенко В.И., Поляков С.П., 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.

Здобувачем запропонована концепція постановки задачі про термопружний стан локальної ділянки ДЕІ.

5. Осипенко В.І., Небилиця Ю.М. Методика визначення прогину дротяного електрода без зупинки процесу електроерозійного вирізання // Вісник Черкаського інженерно-технологічного інституту. - 2001. - №3. - С. 202 - 206.

Здобувачем запропоновано спосіб визначення розподіленого навантаження, що діє на ДЕІ, за енергетичними параметрами процесу вирізання.

6. Осипенко В.И., Калейников Г.Е., Поляков С.П. Экспериментальное исследование влияния поверхностно-активных веществ на процесс электроэрозионного проволочного вырезания // Вісник Черкаського державного технологічного університету. - 2003. - №1. - С. 93-97.

Здобувачем обґрунтована концепція застосування ВР ПАР для керованої зміни фізико-хімічних властивостей робочої рідини.

7. Осипенко В.І., Поляков С.П., Тригуб О.А. Механізм анодного розчинення твердих сплавів в умовах електроерозійної обробки // Вісник Черкаського державного технологічного університету. - 2003. - №1. - С. 88 - 92.

Здобувачем запропонована та обґрунтована принципова схема реєстрації струмів корозії при ЕЕДВ.

8. Осипенко В.І., Поляков С.П., Калейніков Г.Є. Вплив поверхнево-активних речовин на параметри промивання міжелектродного проміжку // Вісник Черкаського державного технологічного університету. - 2002. - №1. - С. 50 - 55.

Здобувачем запропоновано технологічний метод інтенсифікації промивки МЕП.

9. Осипенко В.І., Плахотний О.П., Поляков С.П., Ступак Д.О., Цвітохін М.С. Підвищення точності чотирикоординатної електроерозійної обробки // Вісник Черкаського державного-технологічного університету. - 2002. - №1. - С. 56 - 60.

Здобувачем отримані рівняння для визначення навантаження, що діє на ДЕІ.

10. Осипенко В.І., Поляков С.П., Тригуб О.А. Катодний захист твердих сплавів в умовах електроерозійної обробки // Збірник наукових праць Кіровоградського державного технічного університету. - 2003. - Вип. 12. - С. 257 - 261.

Здобувачем розраховані параметри електрохімічної системи ДЕІ - робоча рідина заготовка.

11. Осипенко В.І., Плахотний О.П., Роман В.В., Ступак Д.О. Модель для розрахунку викривлень дротового електрода при чотирикоординатній електроерозійній обробці // Наукові вісті Національного технічного університету України “Київський політехнічний інститут”. - 2003. - №5. - С 77 - 81.

Здобувачем запропонована математична модель для розрахунку прогинів ДЕІ при чотири координатному ЕЕДВ.

12. Осипенко В.І., Ступак Д.О., Поляков С.П., Савісько Р.І. Методика розрахунку параметрів електроерозійного дротяного різання з врахуванням локальності виділення енергії в міжелектродному проміжку // Машинознавство. - 2003. - №6. - С39 - 42.

Здобувачем запропонована загальна концепція розробки методики розрахунку режимів безобривного вирізання

13. Осипенко В.І., Поляков С.П., Тригуб О.А. Моделювання прианодних процесів в електроерозійній вирізній обробці // Вісник Черкаського державного технологічного університету. - 2003. - №3. - С. 69 - 73.

Здобувачем запропонована концепція моделювання прианодних процесів в робочій ванні верстата.

14. Осипенко В.І. Аналітична оцінка впливу просторово-енергетичних характеристик іскрового розряду на об'єм ерозійної лунки на сталевому аноді // Вісник Черкаського державного технологічного університету. - 2003. - №4. - С. 28-31.

15. Осипенко В.И., Ступак Д.О., Поляков С.П. Математическая модель для оценки теплового состояния локального участка проволочного электрода при электроэрозионном вырезании // Электронная обработка материалов. - 2004. - №3. - С. 13 - 16.

Здобувачем побудована математична модель для оцінки теплового навантаження на локальну ділянку ДЕІ.

16. Осипенко В.І. Покращення технологічних параметрів електроерозійної вирізної обробки шляхом керованої зміни просторово-енергетичних характеристик одиничного іскрового розряду // Вісник Житомирського державного технологічного університету. - 2004. - №2. - С. 127 - 133.

17. Осипенко В.И. Физико-технологические закономерности распределения энергии единичного искрового разряда // Прогрессивные технологии и системы машиностроения: Междунар. сб. науч. тр. - Донецк: ДонГТУ, 2004. - Вып. 28. - С. 120 - 128.

18. Осипенко В.І., Хижняк Є.В., Ступак Д.О., Мамаєнко Н.В. Дослідження коливань дротяного електрода при електроерозійному вирізанні // Вісник Черкаського державного технологічного університету. - 2004. - №2. - С. 86 - 89.

Здобувачем розроблена структурна схема установки та методика дослідження коливань ДЕІ.

19. Осипенко В.І., Калейніков Г.Є., Шапар Б.І. Підвищення точності електроерозійної вирізної обробки радіусів контуру на вітчизняних верстатах моделі СЕЛД // Вестник двигателестроения. - 2004. - №3. - С. 90 - 92.

...