Теоретическое определение параметров качества поверхностного слоя деталей, износа электрода-инструмента и производительности процесса при электроэрозионной обработке

; ,

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

Формирование волнистости при ЭЭО будет зависеть от схемы формообразования деталей:

1. Копирование формы профилированного электрода-инструмента или его сечения. Данную операцию называют прошиванием. Существуют методы прямого и обратного копирования.

2. Взаимное перемещение обрабатываемой заготовки и непрофилированного электрода-инструмента. При этой схеме возможно вырезание сложнопрофильных деталей и разрезание заготовок непрофилированными электродами, электроэрозионное шлифование плоских и цилиндрических поверхностей.

3. Сочетание перемещений заготовки и профилированного электрода (огибание или обкат). Этот метод редко применяют, но он позволяет получить деталь сложной формы при простой форме электрода-инструмента.

На формирование волнистости при электроэрозионной обработке оказывает влияние множество факторов, которые могут присутствовать или отсутствовать в зависимости от схемы обработки и от того, ведется ли обработка в сплошном материале или обрабатывается заранее подготовленная поверхность.

К основным факторам, влияющим на получаемую волнистость поверхности при ЭЭО, можно отнести: параметр, обусловленный влиянием исходной волнистости заготовки, Н1; параметр, обусловленный влиянием исходной волнистости инструмента, Н2; параметр, обусловленный влиянием колебаний технологических режимов обработки, Н3.

При различных схемах формообразования поверхностей деталей указанные факторы могут оказывать или не оказывать влияние на волнистость получаемой поверхности.

При обработке по первой схеме формообразования (прямое и обратное копирование) на получаемую волнистость оказывают влияние: при обработке в сплошном материале -параметры Н2 и Н3; при обработке заранее подготовленных поверхностей - параметры Н1, Н2 и Н3.

При второй схеме обработки (разрезание, вырезание, шлифование и т.п.) основное влияние оказывает параметр Н3. Параметры Н1 и Н2 не оказывают влияния ввиду того, что при перемещении инструмента относительно заготовки или заготовки относительно инструмента не происходит копирования геометрических параметров поверхности.

При изготовлении деталей методом копирования происходит копирование геометрических форм инструмента. Следовательно, копируется и исходная волнистость поверхности инструмента, а также исходная волнистость обрабатываемой заготовки.

Вследствие износа инструмента исходная волнистость детали копируется на инструмент, а с поверхности инструмента обратно на деталь (этот процесс можно назвать «схема двойного копирования волнистости»). При износе инструмента его исходная волнистость копируется на поверхность детали не полностью, а лишь частично.

В зависимости от схемы формообразования и режимов обработки степень влияния параметров Н1, Н2 и Н3 на образование волнистости будет различной.

Таким образом, среднюю волнистость поверхности при электроэрозионной обработке можно получить, просуммировав перечисленные составляющие по правилу суммирования случайных величин [1; 4].

1. Прямое и обратное копирование:

- при обработке заранее подготовленных поверхностей

,

где I - сила тока при обработке, А;

Umax - максимальное напряжение при обработке,

Umax=U+U (U - перепад напряжения), В;

Umin - минимальное напряжение при обработке,

Umin=U-U, В; - длительность импульса, с;

- коэффициент полезного использования энергии импульса; с - удельная теплоемкость обрабатываемого материала, Дж/кгС;

- плотность обрабатываемого материала, кг/м³;

Т_пл - температура плавления обрабатываемого материала, С;

- исходная волнистость заготовки, мм; - исходная волнистость инструмента, мм; - относительный объемный износ электрода-инструмента, % [3];

- при обработке в сплошном материале

.

2. Разрезание, вырезание, шлифование и т.п. При данной схеме и данных операциях обработки средняя волнистость будет определяться только лишь составляющей Н3:

.

Разрушение электродов при ЭЭО происходит за счет импульсов технологического тока, что приводит не только к удалению материала заготовки, но и к нагреву тонких поверхностных слоев. Нагрев, а также охлаждение данных слоев происходят с высокими скоростями, что, в свою очередь, обусловливает изменение физико-механических свойств материала заготовки.

Для того чтобы анализировать микротвердость и остаточные напряжения при ЭЭО, необходимо в первую очередь знать распределение температурного поля в поверхностном слое изделия [1; 2]. 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: разряд - стационарный точечный источник тепла; теплофизические постоянные не изменяются в течение времени протекания процесса; тепловые потоки усредняются.

Так как нагрев происходит в результате воздействия кратковременного теплового источника постоянной силы, то такой источник можно считать мгновенным. Исключив при этом зону плавления материала, можно получить зависимость для расчета температуры в поверхностном слое материала:

,

где А_и - энергия импульса технологического тока, Дж; - коэффициент полезного использования энергии импульса; с - удельная теплоемкость материала, Дж/кгС; - плотность материала, кг/м³; а - температуропроводность материала, м²/с; - длительность импульса, с; y - расстояние от источника тепла до рассматриваемого слоя, мм; Т₀ - температура окружающей среды, С; y_пл - расстояние, определяющее зону плавления материала, мм.

,

где Т_пл - температура плавления обрабатываемого материала, С.

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 величину и глубину залегания технологических остаточных напряжений (ТОН) влияют силовой _с и тепловой _т факторы процесса обработки, а также фазовые превращения _ф, протекающие в зоне обработки.

Влияние силового фактора при ЭЭО очень мало, поэтому на формирование ТОН будут оказывать основное влияние тепловой фактор процесса обработки и фазовые превращения, протекающие в зоне обработки. Тогда ТОН при ЭЭО можно рассчитать по зависимости

₀=_тф.

Тепловой фактор может привести к формированию на поверхности как растягивающих ТОН, так и сжимающих.

При локальном нагреве материала происходит быстрый нагрев тонкого поверхностного слоя материала небольшой площади на незначительную глубину до очень высоких температур с последующим охлаждением. Следовательно, верхний слой испытывает растягивающую нагрузку со стороны нижнего слоя (растягивающие ТОН, ₀0), а нижний - сжимающую нагрузку со стороны верхнего слоя (сжимающие ТОН, ₀0).

Если фазовые превращения, протекающие при обработке, сводятся к превращению -фазы (ГКЦ решетки) в -фазу (ОЦК решетку), то формируются сжимающие ТОН, если наоборот - растягивающие.

Таким образом, уравнение, описывающее формирование суммарных ТОН, будет иметь вид

,

где Е - модуль упругости первого рода, Па; _тепл - тепловая деформация; _пласт - пластическая деформация.

Зная зависимости для расчета деформаций и температуру в поверхностном слое материала, получаем окончательную зависимость для расчета ТОН:

,

где - коэффициент линейного расширения материала, С^-1; _Т - предел текучести материала, Па.

Объемный износ электрода-инструмента (ЭИ) и производительность процесса ЭЭО можно определить следующим образом [3].

Энергия, выделившаяся при пробое межэлектродного промежутка, по закону сохранения энергии, полностью переходит в тепловую (джоулеву) энергию, которая, в свою очередь, расходуется на нагрев и плавление материалов электродов, нагрев и испарение рабочей жидкости, образование газового пузыря. Напряжение к электродам подводится короткими импульсами, длительность которых можно рассчитать по зависимости

,

где f - частота импульсов, с^-1; q - скважность импульсов.

Тогда электрическую энергию между электродами можно определить по зависимости

,

где U - напряжение, подаваемое на электроды, В; I - сила тока, А; _и - длительность импульсов, с.

Для дальнейших расчетов необходимо знать значение коэффициента полезного использования энергии импульса, который характеризует долю энергии импульса, используемую на нагрев и плавление материала заготовки:

,

где _и, _д - теплопроводность инструмента и детали соответственно, Вт/мС; с_и, с_д - удельная теплоемкость материала инструмента и детали соответственно, Дж/кгС;

_и, _д - плотность материала инструмента и детали соответственно, кг/м³.

Зная энергию, необходимую на нагрев и плавление объема материала, и приравнивая ее к электрической энергии с учетом коэффициента полезного использования энергии импульса, можно получить зависимость для определения удаляемого объема материала:

,

где Т_пл - температура плавления материала, С.

Учитывая, что в основе электроэрозионной обработки лежит процесс электрической эрозии, в результате которого происходит удаление материала с поверхности изделия, и что поверхность электродов разрушается за счет плавления и частичного испарения материала, а также зная, какой объем металла удаляется с поверхности за один импульс, можно определить объемный износ электрода-инструмента в единицу времени при усреднении по времени значений тока и напряжения:

,

где - объемный износ электрода-инструмента, мм³/мин; U - напряжение, В; I - ток, А; ₁ - коэффициент, показывающий, какое количество энергии идет на разрушение электрода-инструмента; с_и - удельная теплоемкость материала инструмента, Дж/кгС; _и - плотность материала инструмента, кг/м³; Тпл_и - температура плавления материала инструмента, С.

Для проверки данной теоретической зависимости была проведена серия опытов, в результате которых был получен поправочный коэффициент k=0,34. Тогда окончательно зависимость для износа электрода-инструмента примет вид

.

На производительность при электроэрозионной обработке оказывают влияние следующие факторы: физико-механические свойства обрабатываемого материала; физико-механические свойства материала электрода-инструмента; режим электроэрозионной обработки; свойства диэлектрической жидкости.

Для определения производительности необходимо знать глубину лунки, которая образуется в результате электроэрозионной обработки.

Учитывая, что глубина лунки образуется в результате единичного импульса, и зная величину припуска, который необходимо удалить, а также принимая во внимание перекрытие соседних лунок, можно легко определить производительность электроэрозионной обработки по формуле

,

где Q - производительность электроэрозионной обработки, мм³/мин; - коэффициент полезного использования энергии импульса; Т_пл - температура плавления обрабатываемого материала, С; с_д - удельная теплоемкость материала детали, Дж/кгС; _д - плотность материала детали, кг/м³. шероховатость электроэрозионный обработка

Так же как и в случае износа ЭИ, теоретические зависимости были проверены экспериментально. Установлено, что поправочный коэффициент будет равен единице.

Таким образом, все изложенное дает возможность еще на стадии технологической подготовки производства определить условия ЭЭО для обеспечения требуемых параметров качества поверхностного слоя деталей машин при минимальном износе электрода-инструмента и максимальной производительности процесса.

Список литературы

1. Съянов, С.Ю. Связь параметров электрофизической обработки с показателями качества поверхности, износа инструмента и производительностью процесса / С.Ю. Съянов // Вестник Брянского государственного технического университета. - 2008. - № 1 (17). - С. 14-19.

2. Федонин, О.Н. Методика определения технологических остаточных напряжений при механической и электрофизической обработке /О.Н. Федонин, С.Ю. Съянов // Обработка металлов (технология, оборудование, инструменты). - 2002. - № 4. - С. 32.

3. Федонин, О.Н. Управление износом инструмента и производительностью процесса при электроэрозионной обработке / О.Н. Федонин, С.Ю. Съянов, Н.И. Фомченкова // Вестник Брянского государственного технического университета. - 2014. - № 3. - С. 85-88.

4. Съянов, С.Ю. Технологическое управление параметрами качества поверхностного слоя деталей машин при электроэрозионной обработке / С.Ю. Съянов // Наукоемкие технологии в машиностроении. - 2014. - №6 (36). - С. 24-29.

5. Суслов, А.Г. Назначение, обозначение и контроль параметров шероховатости поверхностей деталей машин: учеб. пособие для студентов высш. учеб. заведений / А.Г. Суслов. - М.: МГИУ, 2010.

1. Syanov, S.Yu., Connection of electro-physical working parameters with surface quality, tool wear and process productivity / S.Yu. Syanov // Bulletin of Bryansk State Technical University. - 2008. - No 1(17). - pp. 14-19.

2. Fedonin, O.N., Methods for technological residual stress definition at machining and electro-physical working / O.N. Fedonin, S.Yu. Syanov // Metal Working (Technology, Equipment, Toolware). - 2002. - No 4. - pp. 32.

3. Fedonin, O.N., Tool wear and productivity control at electro-erosion machining / O.N. Fedonin, S.Yu. Syanov, N.I. Fomchenkova // Bulletin of Bryansk State Technical University. - 2014. - No 3. - pp. 85-88.

4. Syanov, S.Yu., Technological control of quality parameters in surface layer of machinery at electro-erosion machinery / S.Yu. Syanov // High Technologies in Mechanical Engineering. - 2014. - No 6. - pp. 24-29.

5. Suslov, A.G. Appointment, designation and control of parameters of a roughness of surfaces of details of cars: studies. a grant for students высш. Studies / A.G. Suslov. - M, 2010.