CC BY
17
ТЕХНОЛОГИЯ И ОБОРУДОВАНИЕ МЕХАНИЧЕСКОЙ И ФИЗИКО-ТЕХНИЧЕСКОЙ ОБРАБОТКИ
УДК 621.9.047
АНАЛИЗ КИНЕМАТИКО-ГЕОМЕТРИЧЕСКИХ ХАРАКТЕРИСТИК РАЗМЕРНОЙ ЭЛЕКТРОХИМИЧЕСКОЙ ОБРАБОТКИ
В.В. Любимов, В.П. Красильников
Исследовано сочетание кинематических и геометрических характеристик электрохимических методов обработки. Показано, что уменьшение МЭЗ в традиционных режимах обработки приводит к существенному увеличению общего тока и трудностям управления процессом ЭХРО. Подвергнуты анализу возможности локальной обработки точечными и линейными электродами-инструментами.
Ключевые слова: размерная электрохимическая обработка, производительность, электрод-инструмент, скорость перемещения.
Электрохимическая размерная обработка (ЭХРО) материалов является высокоэффективным методом, особенно труднообрабатываемых материалов [1, 2, 3]. Из теории технологии машиностроения известно, что могут быть осуществлены следующие кинематико-геометрические схемы формообразования: обработка:
1) по поверхности (единовременное формообразование) (рис. 1, а);
2) по линии (рис. 1, б);
3) в точке (рис. 1, в).
а б в
Рис. 1. Кинематико-геометрические схемы ЭХРО: а — ЭХРО по поверхности; б — ЭХРО по линии; в — ЭХРО в точке; 1 — электрод-инструмент;
2 — обрабатываемая деталь; Ух — скорость в направлении оси Ох; Уу — скорость в направлении оси Оу; V — скорость в направлении оси Ог
В большинстве случаев ЭХРО применяется для выполнения копировально-прошивочных операций, то есть обработки по поверхности (рис.1, а). Таким образом, используется важнейшее преимущество метода ЭХРО - возможность формообразования по всей поверхности с обеспечением высокой производительности процесса. Тре-
265
буемая геометрия получаемой поверхности обеспечивается копированием геометрической формы поверхности электрода- инструмента. В этом случае имеет место простейшая кинематика станка - прямолинейное перемещение электрода-инструмента по оси ъ по мере анодного растворения материала заготовки. Однако в этом случае возникают трудности управления процессом формообразования и обеспечения высокой точности. Повышение точности обеспечивается при переходе к минимально возможным межэлектродным зазорам (МЭЗ). Точность обработки связана с величиной МЭЗ:
д = ,
г г
где А - локальная величина погрешности обработки; ^ - локальная величина межэлектродного зазора; к - коэффициент пропорциональности.
Однако уменьшение МЭЗ связано с целым рядом трудностей осуществления процесса ЭХРО:
1. Возрастание вероятности коротких замыканий, то есть снижение надежности процесса обработки;
2. Ухудшение условий течения электролита в МЭЗ, что связано с существенным увеличением его гидравлического сопротивления;
3. Увеличение плотности тока и общего тока, что требует применения источников питания очень большой мощности (150.. .400 кВт).
Необходимость сохранения свойств межэлектродной среды при уменьшении МЭЗ привело к необходимости перехода от непрерывного процесса к дискретному или импульсно-циклическому [4]. В связи с этим разработаны:
- схема обработки вибрирующим электродом-инструментом;
- циклическая обработка (рис. 2, а) ;
- импульсно-циклическая обработка (рис. 2, б).
Рис. 2. Циклограммы различных схем ЭХРО: а — циклическая обработка; б — импульсно-циклическая обработка (- - схемы с подводом/отводом электрода-инструмента во время подачи импульсов напряжения); Т — длительность импульса напряжения при циклической ЭХРО (15-35 с); (имп — длительность импульса при импульсно-циклической ЭХРО; so — межэлектродный зазор; и — технологическое напряжение; 3 — ток в межэлектродном зазоре; у — перемещение инструмента
Несмотря на переход к обработке при малых МЭЗ циклические и импульсно-циклические схемы характеризуются уменьшением производительности:
V = 0,02к к к *}, мм/мин >
ар 12 3
где к1 - коэффициент заполнения импульсами напряжения в пакете импульсов; к2 - коэффициент заполнения импульсами напряжения пакетов импульсов; кз - коэффициент формы импульса тока.
Практическое применение импульсно-циклических режимов обработки показало, что к] и к2 изменяются в диапазонах: к] = 20...50%; к2 = З0...60%; кз = 0,7. Таким образом, по сравнению с непрерывным процессом ЭХРО имеет место снижение производительности в 6...22 раз. Тогда скорость анодного растворения при зв = 50 мкм, ] = 200 А/см2, Уар = 0,3... 0,4 мм/мин.
Дальнейшее уменьшение МЭЗ становится невозможным вследствие снижения надежности процесса ЭХРО (существенное повышение вероятности возникновения коротких замыканий, ухудшение условий промывки межэлектродного промежутка).
Следовательно, дальнейшее совершенствование ЭХРО связано с обоснованием условий осуществления процесса обработки непрофилированными электродами-инструментами в локальных зонах обрабатываемой поверхности (обработка по линии (рис.1, б) или в точке (рис.1, в)).
Учитывая существенное улучшение условий эвакуации продуктов анодного растворения из межэлектродного промежутка, возможно существенное уменьшение торцевого межэлектродного зазора до з = 1,0.20 мкм. В этом случае будет достигнута плотность тока до 100 А/мм2.
Таким образом, даже при сохранении межэлектродных зазоров аналогичных импульсно-циклической обработке без потери производительности возможно соотношение обрабатываемой площади к торцевой площади электрода-инструмента как:
= 6 - 22,
еЭ
где еобп - площадь обрабатываемой поверхности; 5з - рабочая площадь торца электрода-инструмента.
При уменьшении торцевого межэлектродного зазора до минимальных величин (1,0.20 мкм) это соотношение может достигнуть без потери производительности величин 15 - 55.
При локальном формообразовании рекомендуется высокочастотное импульсное напряжение с частотой импульсов напряжения до 20 МГц.
Важнейшей задачей проектирования операций ЭХРО непрофилированным инструментом является выбор типа и размеров локального электрода-инструмента и условий его перемещения. При этом учитываются:
- размеры и геометрические параметры обрабатываемой поверхности (площадь обработки, радиусы, минимальные размеры геометрических элементов обрабатываемой поверхности, углы наклона обрабатываемых элементов)
- предполагаемая траектория перемещения электрода-инструмента;
- требования по точности и качеству поверхности.
Наиболее применяемые и предлагаемые авторами типы электродов-инструментов приведены в таблице.
Типы локальных электродов-инструментов
№
Тип инструмента
Характеристика
Примечание
Цилиндрический без изоляции боковой поверхности
ё ~ 10.100 мкм
Цилиндрический с изоляцией боковой поверхности
1
2
Окончание таблицы
№
Тип инструмента
Характеристика
Примечание
Конический с прямым конусом
Конический с обратным конусом
Инструмент со сферической рабочей частью
Ступенчатый электрод
а - 10...20
мкм
Электрод с линейной зоной обработки
В зависимости от формы обрабатываемой поверхности выбираются траектории перемещения локального электрода-инструмента:
- путевой обход поверхности (рис. 3, а);
- сканирование поверхности (рис. 3, б);
- единовременное или послойное удаление припуска (рис. 3, в);
- матричное удаление припуска (рис. 3, г).
Рис. 3. Траектории перемещения локального электрода-инструмента: а - путевая схема; б - схема сканирования; в - единовременное или послойное удаление припуска; г - матричное удаление припуска
Локальные электроды-инструменты имеют ограниченные размеры, что предполагает ограничения по предельной величине общего тока, протекающего через электрод. Так как общий ток определяется в зависимости от площади рабочей части локального электрода, то в зависимости от условий обработки может быть осуществлен выбор торцевого межэлектродного зазора и допустимых значений плотностей тока (рис. 4).
В настоящее время плохо обоснован выбор скорости перемещения электрода-инструмента. Известно [5,6], что скорости перемещения электрода-инструмента при микрообработке составляют от 0,05 до 8 мкм/мин. При обработке полостей с большими размерами (порядка единиц миллиметров) скорости перемещения локального электрода-инструмента составляют от 50 мм/мин до 700 мм/мин.
268
3
4
5
6
7
150
а
г ^
rf юо
а о
н
л
% 50 х
о
й 20 0
25 50
Величина МЭЗ, мкм
Рис. 4. Зависимости плотности тока от величины МЭЗ: I- зона недопустимых плотностей тока; II-зона допустимых плотностей тока
Были выполнены экспериментальные исследования обработки кольцевым электродом-инструментом (рис. 5, а), изготовленным из латуни марки ЛА77-2 ГОСТ 17711-80 диаметром 6 мм с толщиной стенки 0,5 мм, в образце из стали марки Х12Н10Т. Режимы обработки:
- амплитуда импульсов напряжения - 12 В;
- длительность импульсов - 1 мкс;
- частота следования импульсов - 250 кГц;
- рабочая жидкость - 10 % водный раствор NaNO3;
- скорость перемещения инструмента - 700 мм/мин; Полученная поверхность представлена на рис. 5,б.
Рис. 5. Электрод-инструмент и полученная поверхность: а — фотография торцевой части электрода-инструмента; б — фотография полученной полости
Выводы:
1. Выполнен анализ кинематико-геометрических характеристик 6 технологических схем ЭХРО. Установлено, что по мере развития метода ЭХРО наметилась тенденция развития схем обработки непрофилированным (локальным) электродом-инструментом.
2. Предложены рациональные траектории перемещения непрофилированного электрода-инструмента в зависимости от геометрических параметров обрабатываемой поверхности.
3. Проанализированы возможное технологическое оснащение и режимы обработки точечным или линейным электродом-инструментом.
269
Список литературы
1. El-Hofy H.A.G. Advanced machining processes: nontraditional and hybrid machining processes // NY: McGraw Hill, 2005, 253 p.
2. Kibra G., Bhattacharyya B., Davim J.P. (eds) Non-traditional Micromachining Processes: Fundamentals and Applications // Berlin: Springer, 2017. 422 p.
3. Rajurkar K.P., Sundaram M.M., Malshe A.P. Review of Electrochemical and Electrodischarge Machining // Procedia CIRP. 2013. 6. P. 13-26.
4. Давыдов А.Д., Волгин В.М., Любимов В.В. Электрохимическая размерная обработка металлов. Процесс формообразования // Электрохимия, 2004. Т. 40. №12. С.1438-1480.
5. Zhaoyang Zhang and et. Theoretical and experimental investigation on electrochemical micromachining // Microsyst Technol, 2007, 13. P. 607-612.
6. M.A.H. Mithu, G. Fantoni, J. Ciamhi. The effect of high frequency and duty cycle in electrochemical microdrilling // Int J Adv manuf Technol. 2011. 55. P. 921-933.
Любимов Виктор Васильевич, д-р техн. наук, профессор, заведующий кафедрой, [email protected], Россия, Тула, Тульский государственный университет,
Красильников Владислав Петрович, ассистент, [email protected], Россия, Тула, Тульский государственный университет
INVESTIGATION OF KINEMATIC AND GEOMETRIC CHARACTERISTICS OF ELECTROCHEMICAL MACHINING
V. V. Lubimov, V.P. Krasilnikov
This article is devoted to the investigation of the combination of kinematic and geometric electrochemical machining characteristics. It is shown that the reduction of IEG magnitude under traditional modes leads to a significant increase in the total current and the difficulties of ECM process control. The possibilities of local machining with point and linear electrodes-tools are analyzed.
Key words: electrochemical machining, productivity, electrode-tool, displacement
velocity.
Lubimov Victor Vasilevich, doctor of technical sciences, professor, head of chair, lvv400@mail. ru, Russia, Tula State University,
Krasilnikov Vladislav Petrovich, assistant, ferevlad@yandex. ru, Russia, Tula State University
