Размещено на http: //www. allbest. ru/

Связь параметров электрофизической обработки с показателями качества поверхности, износа инструмента и производительностью процесса

С.Ю. Съянов

Аннотация

Представлены результаты теоретического определения параметров качества поверхностного слоя, износа инструмента и производительности при электрофизической обработке. Выявлены основные факторы, влияющие на перечисленные параметры.

В основе электроэрозионной обработки (ЭЭО) лежит процесс электрической эрозии, в результате которой происходит удаление материала с поверхности изделия. Поверхность электродов разрушается вследствие плавления и частичного испарения материала. В результате на поверхности остаются углубления, называемые лунками, параметры которых зависят от следующих факторов:

1) величины тока, протекающего между электродами;

2) величины напряжения, приложенного к электродам;

3) физико-механических характеристик материалов инструмента и изделия, которые в общем можно описать критерием Палатника (П=сТ2, где с - удельная теплоемкость; - плотность материала; - коэффициент теплопроводности материала; Т - температура плавления материала);

4) характеристик диэлектрической жидкости;

5) коэффициента перекрытия лунок , который определяется как отношение расстояния между центрами соседних лунок к радиусу лунки (коэффициент лежит в интервале от 1 до 2).

Микрорельеф поверхности образован большим количеством взаимно перекрывающихся лунок, которые имеют различные геометрические параметры, ввиду того что коэффициент перекрытия может в течение одной обработки принять любое значение из указанного интервала. Поэтому для получения зависимостей, связывающих параметры электрической эрозии и показатели шероховатости поверхности, были сделаны допущения:

- все лунки одинаковы;

- коэффициент перекрытия лунок постоянен на протяжении всей обработки и равен своему среднему значению.

С учетом сформулированных допущений и физической природы протекающих процессов были получены теоретические зависимости для расчета параметров шероховатости поверхности при электроэрозионной обработке [1]. Полученные зависимости требовали корректировки ввиду сделанных допущений. Для того чтобы уточнить зависимости, был установлен закон распределения коэффициента перекрытия лунок [2].

Коэффициент подчиняется закону нормального распределения со следующими параметрами: ср=1,5, =0,167. Знание закона распределения коэффициента позволило найти вероятностный коэффициент перекрытия лунок и тем самым уточнить имеющиеся зависимости, а также разделить такие параметры шероховатости, как Rz и Rmax (так как при сделанных допущениях

шероховатость износ электрофизический

Rz= Rmax

Таким образом, окончательно были получены следующие зависимости:

1) высота неровностей профиля по 10 точкам

;

2) максимальная высота профиля Rmax = 1,73Rz;

3) среднее арифметическое отклонение Ra = 0,398Rz;

4) высота сглаживания профиля шероховатости Rp = 0,671Rz;

5) средний шаг неровностей

;

6) относительная опорная длина профиля

.

Здесь I - технологический ток, А; U - технологическое напряжение, В; - длительность импульса тока, мкс; - коэффициент полезного использования энергии импульса; с - удельная теплоемкость материала изделия, Дж/кгМК; - плотность материала изделия, кг/м3; Тпл - температура плавления материала изделия, К; р - уровень сечения, %.

На формирование волнистости при электроэрозионной обработке влияет множество факторов, которые могут присутствовать или отсутствовать в зависимости от схемы обработки и от того, как она ведется: в сплошном материале или на заранее подготовленной поверхности.

Основные факторы, влияющие на формирование волнистости при электроэрозионной обработке:

1) исходная волнистость заготовки - Н1;

2) исходная волнистость инструмента - Н2;

3) колебание технологических режимов обработки - Н3.

При прямом и обратном копировании при обработке в сплошном материале на получаемую волнистость влияют лишь составляющие Н2, Н3. При прямом и обратном копировании при обработке заранее подготовленных поверхностей основное влияние оказывают такие составляющие, как H1, H2, Н3. При разрезании, вырезании, шлифовании и т.п. основное влияние оказывает составляющая Н3.

Теоретически были получены зависимости для расчета составляющих волнистости поверхности H1, H2, Н3 при электрофизической обработке. Получить среднюю волнистость поверхности при электроэрозионной обработке можно, просуммировав перечисленные составляющие по правилу суммирования случайных величин:

.

Это позволило получить следующие зависимости для определения волнистости поверхности:

1. Прямое и обратное копирование (обработка заранее подготовленных поверхностей независимо от режимов, при которых износ инструмента меньше или больше 100 %):

2. Обработка в сплошном материале независимо от режимов, при которых износ инструмента больше или меньше 100 %:

.

3. Разрезание, вырезание, шлифование и т.п. (при данных операциях обработки средняя волнистость будет определяться только составляющей Н3):

.

Теоретические результаты по ряду значений были проверены экспериментально. Прослеживалось отличие теоретических данных от экспериментальных более чем на 15 %. Различие экспериментальных и теоретических данных можно объяснить неравномерностью износа электрода-инструмента, неоднородностью свойств материала заготовки и инструмента и другими случайными факторами. Это позволило более детально рассмотреть полученные данные и скорректировать теоретические зависимости вводом поправочных коэффициентов.

При электрофизической обработке электроды разрушаются из-за импульсов технологического тока, что приводит не только к удалению материала заготовки, но и к нагреву тонких поверхностных слоев. Нагрев, а также охлаждение данных слоев происходит с высокими скоростями, что, в свою очередь, обусловливает изменение физико-механических свойств материала заготовки.

Таким образом, для того чтобы анализировать микротвердость и остаточные напряжения при ЭЭО, необходимо в первую очередь знать распределение температурного поля в поверхностном слое изделия. Точно рассчитать температуру в окрестностях области разряда не представляется возможным, так как нет сведений о тепловых потоках, начальной конфигурации поверхностей электродов и другой информации. Поэтому для определения температуры делается ряд допущений:

1) разряд - стационарный точечный источник тепла;

2) теплофизические постоянные не изменяются в течение времени протекания процесса;

3) тепловые потоки усредняются.

Так как нагрев происходит в результате кратковременного воздействия теплового источника постоянной силы, то такой источник можно считать мгновенным. Из теории теплопроводности известно, что температуру в любом слое при мгновенном источнике энергии можно рассчитать по зависимости

,

где Q - энергия импульса; с - удельная теплоемкость материала; - плотность материала; а - температуропроводность материала; - длительность импульса; y - расстояние от источника тепла до рассматриваемого слоя; Т0 - температура окружающей среды.

Исключая из представленной формулы зону плавления материала и раскрывая энергию импульса, окончательно получим зависимость для расчета температуры в поверхностном слое материала:

,

где Аи - энергия импульса технологического тока; и - коэффициент полезного использования энергии импульса; yпл - расстояние, определяющее зону плавления материала, рассчитывается по зависимости

.

Зная распределение температуры по глубине и используя данные материаловедения, можно спрогнозировать структуру материала, а следовательно, и ожидаемую твердость. Однако реальная твердость будет отличаться от прогнозируемой, так как скорости охлаждения будут не всегда выше или равны критической.

На формирование остаточных напряжений также основное влияние будет оказывать тепловой фактор. Вследствие нагрева поверхностные слои увеличивают свой объем, а нижние слои (с более низкой температурой) препятствуют этому. В результате создается устойчивое состояние, при котором верхний слой расширился вследствие тепловой деформации и растянул нижний слой до пластической деформации. При охлаждении протекает обратный процесс. В конечном счете получаем следующую картину: верхний слой испытывает растягивающую нагрузку со стороны нижнего слоя (растягивающие технологические остаточные напряжения), а нижний - сжимающую нагрузку со стороны верхнего слоя (сжимающие технологические остаточные напряжения).

Таким образом, принимая во внимание изложенное, получаем зависимость для расчета технологических остаточных напряжений:

,

где Е - модуль упругости первого рода; тепл - тепловая деформация; пласт - пластическая деформация.

Деформации рассчитываются по следующим зависимостям:

, ,

где Т0 - начальная температура обработки; Т1 - температура обработки; Т - предел текучести материала.

Окончательно зависимость для расчета технологических остаточных напряжений примет вид

, МПа.

Предложенные методики определения микротвердости и остаточных напряжений при ЭЭО позволяют еще на стадии технологической подготовки производства спрогнозировать данные параметры качества поверхностного слоя изделия.

Факторы, влияющие на износ электрода-инструмента при электроэрозионной обработке, представлены на рисунке.

Размещено на http: //www. allbest. ru/

Рис. 1 Факторы, влияющие на износ электрода-инструмента

Учитывая изложенное и зная, какой объем металла удаляется с поверхности за один импульс [1], можем определить объемный износ электрода-инструмента.

Объем материала, удаляемого с поверхности за один импульс:

,

где U - напряжение, В; I - ток, А; и - длительность импульса, с; 1 - коэффициент, показывающий, какое количество энергии идет на разрушение электрода-инструмента [3]; си - удельная теплоемкость материала инструмента, Дж/кгМК; и - плотность материала инструмента, кг/м3; Тпли - температура плавления материала инструмента, К.

Усредняя по времени значения тока и напряжения и зная объем материала, удаляемого за один импульс, можем найти объемный износ электрода-инструмента в единицу времени:

где - объемный износ электрода-инструмента, мм3/мин.

Таким образом, из полученной теоретической зависимости видно, что износ электрода-инструмента зависит от свойств материала инструмента, режимов электроэрозионной обработки и свойств обрабатываемого материала, которые учитываются при расчете коэффициента и.

На производительность при электроэрозионной обработке влияют следующие факторы:

1) физико-механические свойства обрабатываемого материала;

2) физико-механические свойства материала электрода-инструмента;

3) режим электроэрозионной обработки (ток, напряжение, длительность импульса);

4) свойства диэлектрической жидкости.

Для определения производительности необходимо знать глубину лунки, которая образуется в результате электроэрозионной обработки. Ее мы можем определить по зависимости [1]

.

Зная, что данная глубина лунки образуется в результате единичного импульса, и зная величину припуска, который необходимо удалить, а также принимая во внимание перекрытие соседних лунок, можем легко определить производительность электроэрозионной обработки:

, мм/мин; , мм3/мин,

где Q - производительность электроэрозионной обработки; - коэффициент перекрытия лунок (1,15); и - коэффициент полезного использования энергии импульса; Тпл - температура плавления обрабатываемого материала, К; сд - удельная теплоемкость материала детали, Дж/кгМК; д - плотность материала детали, кг/м3.

Таким образом, видно, что на производительность процесса электроэрозионной обработки влияют все перечисленные ранее факторы. Причем основное влияние на производительность оказывает режим обработки, остальные факторы влияют меньше. При выводе расчетных зависимостей для производительности не был учтен износ электрода-инструмента, при увеличении которого будет возрастать и длительность обработки.

В заключение можно отметить, что полученные теоретические зависимости позволят рассчитывать параметры качества поверхностного слоя, износа инструмента и производительность процесса электроэрозионной обработки еще на стадии технологической подготовки производства. Это даст возможность по заданным значениям указанных параметров выбирать режимы обработки и инструментальный материал.

Список литературы

1. Суслов, А.Г. Формирование и расчет шероховатости поверхности деталей при электроэрозионной обработке / А.Г. Суслов, С.Ю. Съянов // Прогрессивные технологии и системы машиностроения: междунар. сб. науч. тр. - ДонГТУ, 2000. - Вып. 10. - 318 с.

2. Инютин, В.П. Микрогеометрические показатели качества поверхности при электроэрозионной обработке / В.П. Инютин, С.Ю.Съянов // Качество машин: сб. тр. 4-й междунар. науч.-техн. конф., 10 - 11 мая 2001 г.: в 2т. / под общ. ред. А.Г. Суслова. - Брянск: БГТУ, 2001. - Т.2. - 264 с.

Размещено на Allbest.ru