Теоретическое определение параметров качества поверхностного слоя деталей, износа электрода-инструмента и производительности процесса при электроэрозионной обработке Текст научной статьи по специальности «Технологии материалов»

УДК 621.7-4 DOI: 10.12737/18261

С.Ю. Съянов

ТЕОРЕТИЧЕСКОЕ ОПРЕДЕЛЕНИЕ ПАРАМЕТРОВ КАЧЕСТВА ПОВЕРХНОСТНОГО СЛОЯ ДЕТАЛЕЙ, ИЗНОСА ЭЛЕКТРОДА-ИНСТРУМЕНТА И ПРОИЗВОДИТЕЛЬНОСТИ ПРОЦЕССА ПРИ ЭЛЕКТРОЭРОЗИОННОЙ

ОБРАБОТКЕ

Представлены теоретические зависимости взаимосвязи параметров шероховатости, волнистости, микротвердости и остаточных напряжений с условиями электроэрозионной обработки. Установлены факторы, оказывающие основное влияние на износ электрода-инструмента и производительность процесса. На основании этого получены теоретические зависимости взаимосвязи объемного износа инструмента и производительности процесса с технологическими параметрами обработки,

которые дают возможность управления параметрами качества поверхностного слоя деталей машин, износом электрода-инструмента и производительностью процесса при электроэрозионной обработке.

Ключевые слова: качество поверхности, шероховатость поверхности, волнистость поверхности, остаточные напряжения, микротвердость, износ инструмента, производительность процесса, электроэрозионная обработка.

S.Yu. Syanov

THEORETICAL DEFINITION FOR QUALITY PARAMETERS OF SURFACE LAYER IN PARTS, TOOL-ELECTRODE WEAR AND PROCESS PRODUCTIVITY

AT ELECTROEROSION MACHINING

An electric erosion process serves as a basis for electro-erosion machining (EEM) as a result of which occurs a material removal from the surface of a product. The destruction of electrode surface takes place at the expense of melting and partial evaporation of material. As a result of this the cavities called holes remain on a surface and also changes arise on the surface layer of a billet.

A microrelief of a surface is formed with considerable quantity of mutually covered holes having different geometrics the knowledge of which allowed determining height and pitch parameters of roughness.

Upon a corrugation formation at electro-erosion machining has an influence a lot of factors which may be or may be not depending on a machining procedure and on whether machining is to be carried out on solid material or a surface prepared earlier should be machined. To the basic factors affecting the surface corrugation at EEM should be referred parameters conditioned on the influence of a billet initial corrugation,

В основу электроэрозионной обработки (ЭЭО) положен процесс электрической эрозии, в результате которого происходит удаление материала с поверхности изделия. Разрушение поверхности электродов происходит за счет плавления и частичного испарения материала. В результате этого на поверхности остаются углубления, называемые лунками, параметры ко-

tool initial corrugation, influence of fluctuations in technological modes of machining. Having defined these parameters it should be possible to compute a corrugation at EEM.

To analyze microhardness and residual stresses at EEM, first, it should be necessary to know a temperature field distribution in the surface layer of a product that will allow defining quality parameters mentioned above.

To determine volumetric wear of a tool-electrode and EEM productivity it should be necessary to know the following: physical stress-strain properties of work material and material of a tool-electrode; modes of electro-erosion machining; properties of dielectric liquid.

Key words: surface quality, surface roughness, surface corrugation, residual stresses, microhardness, tool wear, process productivity, electro-erosion machining.

торых зависят от следующих факторов: величины тока, протекающего между электродами; величины напряжения, приложенного к электродам; физико-механических характеристик материалов инструмента и изделия, которые в общем можно описать критерием Палатника

(П = ср1 Тпл, где с - удельная теплоем-

кость, Дж/кг°С; р - плотность материала, кг/м3; 1 - коэффициент теплопроводности материала, Вт/м°С; Тпл - температура плавления материала, °С); характеристик диэлектрической жидкости и коэффициента перекрытия лунок Ь, который определяется как отношение расстояния между центрами соседних лунок к радиусу лунки (коэффициент Ь лежит в интервале от 1 до

2) [5].

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 Ь 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; 4]. Полученные зависимости требовали корректировки ввиду сделанных допущений. С целью уточнения зависимостей был установлен закон распределения коэффициента перекрытия лунок Ь [1].

Коэффициент Ь подчиняется нормальному закону распределения со следующими параметрами: Ьср=1,5; о=0,167. Найденный закон распределения коэффициента Ь позволил найти вероятностный коэффициент перекрытия лунок и тем самым уточнить имеющиеся зависимости. Также знание закона распределения позволило разделить такие параметры шероховатости, как Я и Яшах (так как при сделанных допущениях Я1=Ешах).

Таким образом, были окончательно получены следующие зависимости для определения высотных и шаговых параметров шероховатости:

Яг

I (2в - 1)1ИтИ ; (4Р + 1)сррпл ;

Яшах = 1,73Яг; Яа = 0,398Яг; Яр = 0,671Яг; Бш : 1р = 100 -10^100-Р ,

8р+4

2Р-1

Яг;

где I - технологический ток, А; и - технологическое напряжение, В; т - длительность импульса тока, мкс; ^ - коэффициент полезного использования энергии импульса; с - удельная теплоемкость материала изделия, Дж/кг°С; р - 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 непрофи-лированными 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, обуслов-

ленный 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

Wz =

10-4Y2

(wz исх ) + (wz иг j ] + (wz исх j2 (1 - 0,02 Y) +

0,53

I тп

c P тпл

где I - сила тока при обработке, А; Umax -максимальное напряжение при обработке, Umax=U+DU (DU - перепад напряжения), В; Umin - минимальное напряжение при обработке, Umin=U-DU, В; t - длительность импульса, с; h - коэффициент полезного использования энергии импульса; с -удельная теплоемкость обрабатываемого материала, Дж/кг°С; р - плотность обрабатываемого материала, кг/м3; Тпл - темпера-

тура плавления обрабатываемого материала, °С; Wz За

готовки, мм;

исходная волнистость за-

Wzисх - исходная волни-

стость инструмента, мм; у - относительный объемный износ электрода-инструмента,

% [3];

- при обработке в сплошном материале

Wz

1

(Wz исх f(l - 0,02y +10 -4 Y 2)+

0,53

3

I тп

с р T

(^Umax ^Umin j •

пл у

2. Разрезание, вырезание, шлифова-

ние и т. п. При данной схеме и данных опе-

рациях обработки средняя волнистость бу-

дет определяться только лишь составляющей Н3:

Wz = 0,53

3

I тп

с P тп

(^Umax ^Umin j

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 воз-

можным, 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; тепло-физические 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:

Т = Т о -

сР (2л/ пат ) где Аи - энергия импульса технологического тока, Дж; ^ - коэффициент полезного использования энергии импульса; с -удельная теплоемкость материала, Дж/кг °С; р - плотность материала, кг/м ; а - температуропроводность материала,

3

ЕХР

(у - у пл I2

4 ат

м/с; х - длительность импульса, с; у - расстояние от источника тепла до рассматриваемого слоя, мм; То - температура окружающей среды, °С; упл - расстояние, определяющее зону плавления материала, мм.

упл

где Тпл - 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 Сс и тепловой Ст факторы процесса обработки, а также фазовые превращения Сф, 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

- 4 ат 1п (тпл - Т0 )сР (2л/пат Г

АиП

обработки. Тогда ТОН при ЭЭО можно рассчитать по зависимости

Оо=±От±Оф.

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, С0<0), а нижний - сжимающую нагрузку со стороны верхнего слоя (сжимающие ТОН, С0>0).

Если фазовые превращения, протекающие при обработке, сводятся к превращению у-фазы (ГКЦ решетки) в а-фазу (ОЦК решетку), то формируются

сжимающие ТОН, если наоборот - растягивающие.

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

= 2Е(^тепл -

О 0

О,

где Е - модуль упругости первого рода, Па; етепл - тепловая деформация; епласт -пластическая деформация.

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

= IЕ

2

(

АиП

(2^ п а т )3

ЕХР

сР

где а - коэффициент линейного расширения материала, °С-1; оТ - 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

1

,-1.

где { - частота импульсов, с"'; q - скважность импульсов.

Тогда электрическую энергию между электродами можно определить по зависимости

ти

Аи = IИШи ,

0

где И - напряжение, подаваемое на электроды, В; I - сила тока, А; ти - 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:

0,92

л=-

1

К си Ри

1 дсд Рд

+1

(У - У пл ) 4 ат

2

Л

от

Е

где 1и, 1д - теплопроводность инструмента и детали соответственно, Вт/м°С; си, сд -удельная теплоемкость материала инструмента и детали соответственно, Дж/кг°С; ри, рд - 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:

V = -

л IИЫТи

0_

сд рдТпл

где Тпл - 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:

л6

У =

60 л1 и1 10'

с р Тпл

иг и и

где у - объемный износ

3

электрода-

инструмента, мм3/мин; И - напряжение, В; I - ток, А; л1 - коэффициент, показывающий, какое количество энергии идет на разрушение электрода-инструмента; си -

О

а

0

т

ти =

удельная теплоемкость материала инструмента, Дж/кг°С; ри - плотность материала инструмента, кг/м3; Тпли - температура плавления материала инструмента, °С.

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

лб

g = 0,34

60^ UI 10v

с р Тпл

и / и и

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 необхо-

димо удалить, а также принимая во внимание перекрытие соседних лунок, можно легко определить производительность электроэрозионной обработки по формуле

Q =

60hUI 10'

с рдТ„

пл

где 0 - производительность электроэрозионной обработки, мм /мин; ^ - коэффициент полезного использования энергии импульса; Тпл - температура плавления обрабатываемого материала, °С; сд - удельная теплоемкость материала детали, Дж/кг°С; рд - плотность материала детали, кг/м .

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 элек-

троэрозионной 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 Technol-

ogies 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.

Сведения об авторах:

Съянов Сергей Юрьевич, к.т.н., доцент кафедры «Автоматизированные технологические системы» Брянского государственного технического универ-

Syanov Sergey Yurievich, Can.Eng., Assistant Prof. of the Dep. "Automated Technological Systems" Bryansk

Статья поступила в редколлегию 27.10.2015.

Рецензент: к.т.н., доцент Брянского государственного технического университета

Хандожко В.А.

ситета, тел.: (4832) 58-82-85, е-шай: [email protected].

State Technical University, Phone: (4832) 58-82-85, е-mail: [email protected].