Воронеж, Воронежская область, Россия
Воронеж, Воронежская область, Россия
УДК 621.8 Детали машин. Механизмы. Передачи (механические). Подъемнотранспортное оборудование. Крепежные средства. Смазка
В данной работе изложено описание комбинированного метода обработки материалов использующий принципы электрохимического электроэрозионного способа обработки. Приведены математические зависимости для расчетов режимов проведения обработки, а также графики зависимостей для определения режимов, обеспечивающих заданную точность обработки в зависимости от материалов, используемых в качестве рабочей среды.
КОМБИНИРОВАННАЯ ОБРАБОТКА, ЭЛЕКТРОХИМИЯ, ЭЛЕКТРОЭРОЗИЯ, МАТЕРИАЛ
1 Состояние вопроса исследования и актуальность работы
Комбинация в едином процессе различных физических и химических воздействий позволяет при правильном их сочетании нивелировать нежелательные для технолога эффекты и повышать нужные технологические показатели.
Основанные на отдельных вышеуказанных воздействиях с наложением электромагнитных полей электрофизикохимические методы обработки обладают следующими общими преимуществами [1-7]:
- Возможность формообразования геометрии путем простого поступательного движения инструмента.
- Достижение микронных допусков при высокой чистоте поверхности.
- Износ инструмента не оказывает существенного влияния на параметры обработки, так как в одних методах он вообще отсутствует, а в других – его можно компенсировать различными способами.
- Возможность обработки материалов с высокой твердостью и другими физико-химическими свойствами, которые существенно снижают или вообще делают невозможной лезвийную обработку.
Также вышеперечисленные методы обладают и схожими чертами, ограничивающими в ряде случаев их область эффективного применения:
- Сложность оборудования и управления параметрами процесса.
- Высокая энергоемкость процессов.
- Особенные требования по экологичности и технике безопасности.
- Высокая стоимость оборудования и расходных материалов.
Положительные и отрицательные стороны конкретно таких методов, как электроэрозионная и электрохимическая обработки, достаточно хорошо известны и изучены [8-10]. Для электрохимической обработки к особенностям можно отнести снятие остаточных напряжений от предыдущих операций в готовой детали, достижение за один переход шероховатости, достигаемой отделочными операциями (зеркальная обработанная поверхность) и отсутствие износа инструмента при штатной работе оборудования. При этом надо учитывать, что малые межэлектродные зазоры требуют специальных конструктивных и технологических режимов для того, чтобы не допускать контакта анода и электрода-инструмента во избежание коротких замыканий, обеспечения удаления продуктов обработки с поверхности заготовки и поддержания необходимых параметров рабочей жидкости- электролита. Другой хорошо изученный метод электрофизической обработки – электроэрозионный, обладает высокой точностью и управление его параметрами достаточно просто. Вместе с тем, поверхность после него подвергается термическим превращениям, возможно образование трещин на заготовке, что в ряде случаев недопустимо. При повышении производительности процесса в большинстве схем усиливается износ инструмента, что имеет свои негативные стороны.
Таким образом, комбинация теплового и химического воздействия в одной технологической операции может дать возможность повысить параметры процессов и снизить негативные черты, присущие классическим методам обработки.
2 Материалы и методы
Особенность комбинированного метода обработки позволяет одновременно использовать несколько электродов-инструментов при соблюдении определённых условий и соотношений, применяемых для многоинструментальной обработки. Контур представляет собой электрическую цепь питания с одним или несколькими электродами-инструментами [11, 12].
В ряде случаев целесообразно использовать многоинструментальную одноконтурную технологию обработки, при которой инструменты не разделены электрическими сопротивлениями. При этом удается облегчить обработку сложнопрофильных поверхностей и уменьшить брак при обработке тонкостенных деталей. Кроме того, можно обеспечить удовлетворительную производительность при небольших силах тока, что дает возможность уменьшить глубину измененного слоя, снизить вероятность образования трещин на поверхности заготовки [13-20]. На рис. 1 и 2 показаны схемы одно- и многоинструментальной комбинированной обработки.
Для примера рассмотрены результаты исследования части поверхности сопла ракетного двигателя из материала БрХЦрТВ (ТУ 48-21-588-87), обработанной комбинированным методом. Линейные измерения проводились с использованием металлографического микроскопа Neophot 2.
а б
ГИ – генератор импульсов, 1 – реостат, 2 – подающее устройство, 3 – державка электрода-инструмента, 4 – рабочая часть электрода-инструмента, 5 – обрабатываемая(ые) заготовка(и)
Рисунок 1 – Схема одноинструментальной (а) и многоинструментальной (б)
одноконтурной обработки
3 Результаты исследований
Для чистовой обработки с использование RC-схемы емкость конденсаторов составит [1]:
где 
– коэффициент; U – напряжение холостого хода, выбирается в диапазоне 80-100 В; Rz – величина экономически оправданной шероховатости при электроэрозионном воздействии, мкм.
В случае использования других видов генераторов режимы назначают по величине Rz через эквивалентную мощность импульса, Вт:
Глубина измененного слоя Т = f(Wu) [15, 16]. Для RC-генератора:
где 
– коэффициент, зависящий от режима и марки обрабатываемого материала.
При комбинированной обработке заключительный этап следует выполнять без электроэрозионной составляющей на режимах с напряжением не более 6-8 В [2]. Время этого этапа рассчитывается по зависимости, с:
где Sd – зазор между катодом и анодом, мм. Согласно [3] величину зазора Sdназначают в диапазоне от 0,02 до 0,12 мм; Rzдоп – высота микронеровностей паза, заданная в чертеже.
Для рассматриваемого случая h = 0,2-0,3;
где h – выход по току, безразмерный коэффициент; χ – проводимость, См/мм; S – межэлектродный зазор, мм; α – электрохимический эквивалент, мг/(А×с); g – плотность обрабатываемого материала, мг/мм3;u, Du – напряжение и потери напряжения в зазоре соответственно, В.
Съем материала с боковых поверхностей обработанного паза за время прошивки и устранения шероховатостей не может превышать допуска на сторону паза d.
При этом методом технологических размерных цепей конструкторские допуски пересчитывают так, чтобы в процессе обработки оставался наибольший припуск.
Тогда общее время формообразования боковых поверхностей пазa определится суммой, с:
где t1 – время прошивки комбинированной обработкой паза длиной l со скоростью VS, с:
За это время съем Z металла c боковой поверхности составит, мм:
где d1 – технологический допуск боковой поверхности, мкм.
Из литературы [1] известно, что комбинированная электроэрозионно-химическая обработка хотя и позволяет уменьшить относительный износ электрода-инструмента, но все равно его значения необходимо учитывать для недопущения выхода за пределы допусков, заложенных в чертеже готовой детали. Для этого в технологическом процессе предусматривают переходы для калибровки электрода-инструмента или, если она невозможна, – его полную замену. Оценить количество деталей N, обрабатываемых до калибровки изношенной части инструмента-электрода, можно по зависимости, ед.:
где t3 – общее время наработки до предельного износа, с; 
– время обработки одного паза, с.
здесь i – относительный износ инструмента (отношение объема металла, снятого с инструмента, к объему, удаленному с заготовки). Для комбинированного процесса i = 0,12-0,2;
d2 – допуск на глубину паза, мкм; – время обработки одного паза, с.
где 
– выход конца электрода в паз при калибровке, мм, изменяется от (0,1-0,2)L
до (0,8 - 0,9)L (L – ширина проточки на детали, мм).
Тогда расчетная зависимость приобретает вид:
В процессе прошивки и последующей обработки боковых поверхностей паза требуется обеспечить соответствие съёма материала допускам на размер паза. Конструкторские допуски преобразуются методом технологических размерных цепей таким образом, чтобы обеспечить максимальный припуск на этапе обработки. Общее время анодного растворения боковых поверхностей паза определяется с учётом указанных условий. Оценка шероховатости поверхности после комбинированной обработки при различных режимах технологического процесса приведена в табл. 1. Также металлографически изучались структурные изменения в приповерхностном слое при аналогичных технологических параметрах.
На основе экспериментальных данных и статистической обработки результатов были установлены зависимости качества поверхности паза от технологических параметров, которое определялось взаимодействием электроэрозионной и электрохимической составляющих.
Электроэрозионная обработка формирует неровности и физико-химические изменения в поверхностных слоях, которые влияют на эксплуатационные характеристики детали. Поверхность представляет собой совокупность перекрывающихся лунок, размер которых зависит от энергии импульсов и материала электродов. Увеличение энергии импульсов и снижение их частоты приводит к росту размеров лунок, а повышение частоты импульсов уменьшает расстояние между центрами лунок и их глубину. Поверхностный слой состоит из расплавленного металла в лунках и прилегающего слоя с изменённой структурой из-за быстрого нагрева и охлаждения.
Микрорельеф от электрохимической составляющей обработки определяется структурой материала заготовки, составом, температурой, скоростью прокачки электролита и электрическими параметрами. Эти параметры изменяются во времени, что приводит к неравномерному анодному растворению в различных точках. Характер микронеровностей зависит от материала и чаще наблюдается межкристаллическое растравливание, влияющее на шероховатость поверхности. У крупнозернистых сплавов шероховатость выше, чем у мелкозернистых. При высоких плотностях тока растворение может происходить не только по границам, но и по зерну, образуя местные углубления.
Таблица 1 – Измерения неровностей поверхности
|
№ опыта |
Максимальное значение глубины микронеровностей, мкм |
Среднее значение глубины |
|
1 |
1,8 |
1 |
|
2 |
2,4 |
1,83 |
|
3 |
1,95 |
1,54 |
|
4 |
2,7 |
2,10 |
|
5 |
1,7 |
1,31 |
|
6 |
2,3 |
1,52 |
|
7 |
1,85 |
1,37 |
|
8 |
2,5 |
1,95 |
|
9 |
2,15 |
1,74 |
|
10 |
3,65 |
2,7 |
|
11 |
1,2 |
1,04 |
|
12 |
3,2 |
2,43 |
|
13 |
3,25 |
2,5 |
|
14 |
2,9 |
2,3 |
|
15 |
3,1 |
2,35 |
По результатам исследований комбинированной обработки части сопла ракетного двигателя из материала БрХЦрТВ (ТУ 48-21-588-87) получены зависимости шероховатости поверхности от состава электролита и силы тока на RC-генераторе для различных материалов электрода-инструмента (рис. 3). Результаты исследования показывают, что увеличение силы тока на RC-генераторе приводит к увеличению шероховатости поверхности. Оптимальные параметры обработки графитовыми композициями обеспечивают минимальную шероховатость (Rz 0,75-1,5 мкм). При использовании медных и вольфрамовых инструментов шероховатость несколько выше (1,6-2,75 мкм). На участке от 0,4 до 0,7 А процесс обработки с применением медного и вольфрамового инструментов характеризуется стабильностью, при этом шероховатость практически одинакова. Однако при увеличении силы тока до 1,1 А разница в высоте микронеровностей достигает 1 мкм в пользу меди. Латунный инструмент демонстрирует наибольшую шероховатость, причём зависимость имеет нелинейный характер. Увеличение силы тока с 0,25 до 0,35 А вызывает резкий скачок шероховатости с 2,1 до 2,75 мкм, затем на участке 0,28-0,95 А наблюдается постепенный рост шероховатости, а при силе тока 1-1,1 А шероховатость остаётся практически неизменной с возможным незначительным снижением.
Результаты исследования показывают, что увеличение силы тока на RC-генераторе приводит к увеличению шероховатости поверхности. Оптимальные параметры обработки графитовыми композициями обеспечивают минимальную шероховатость (Rz = 0,75-1,5 мкм). При использовании медных и вольфрамовых инструментов шероховатость несколько выше (1,6-2,75 мкм). Латунный инструмент демонстрирует наибольшую шероховатость, причём зависимость имеет нелинейный характер. Увеличение силы тока с 0,25 до 0,35 А вызывает резкий скачок шероховатости с 2,1 до 2,75 мкм, затем на участке 0,28-0,95 А наблюдается постепенный рост шероховатости, а при силе тока 1-1,1 А шероховатость остаётся практически неизменной, с возможным незначительным снижением.
Рисунок 3 – Зависимость шероховатости обработанной поверхности Rz материала от силы тока I при электропроводности рабочей среды 15 % NaCl + 5 % NaNO3 ( χ = 0,0254)
для различных материалов электрода-инструмента
|
χ, См/мм |
Рисунок 4 – Зависимость шероховатости Rz обработанной поверхности
от электропроводности рабочей среды χ при обработке вольфрамовым
электродом-инструментом при различных силах тока I
Исследование зависимости шероховатости от силы тока при различных составах электролита с электропроводностью рабочей среды в интервале χ = 0,017...0,035 См/мм для вольфрамового инструмента показало, что оптимальные условия обработки обеспечивают минимальную шероховатость поверхности Rz = 1,7...1,8 мкм при силе тока 0,25 А (рис. 4). С увеличением концентрации электролита его удельная проводимость возрастает до достижения максимального значения, после чего происходит снижение. Это обусловлено усилением взаимного притяжения ионов, что ограничивает их подвижность и способность к переносу заряда.
Анализ графика (рис. 4) демонстрирует, что при увеличении электропроводности рабочей среды наблюдается постепенное увеличение значений шероховатости поверхности. На участке от 0,0175 до 0,02 мкм увеличение шероховатости происходит практически одинаково для всех режимов обработки. На интервале от 0,02 до 0,0315 мкм динамика роста шероховатости остаётся стабильной в пределах 0,1 мкм. На участке от 0,0315 до 0,034 мкм при использовании токов 0,25А, 0,3А и 0,6А изменений в росте шероховатости не наблюдается. Однако при увеличении тока до 1А и выше происходит значительное увеличение шероховатости поверхности до 2,5 мкм, что нежелательно для данного процесса. Различия в величине шероховатости поверхности при обработке вольфрамовым инструментом зависят от силы тока. Для тока I = 0,25 А параметр Rz варьируется в диапазоне от 1,7 до 1,8 мкм, при токе I = 0,3 А значения Rz составляют величину от 1,8 до 1,95 мкм, при токе I = 0,6 А – от 2,1 до 2,2 мкм, при токе I = 1 А – от 2,3 до 2,4 мкм, при токе I = 1,1 А – от 2,3 до 2,5 мкм.
4 Обсуждение и заключение
Сочетание предложенной обобщенной математической модели комбинированного электрофизикохимического процесса, позволяющей рассчитывать время обработки и величину съема металла, и экспериментальных данных по влиянию на качественные параметры обработки поверхности режимов обработки позволяет находить оптимальные или рациональные режимы прошивки отверстий и пазов и управлять этим процессом с помощью удобного параметра времени обработки. Это подтверждается полученными экспериментальными результатами на примере исследованной бронзы БрХЦрТВ, которые показали характер влияния параметров процесса на качественные параметры обработанной поверхности. Рассмотренный подход может служить методической основой расчета режимов комибинированного электрофизикохимического процесса для других материалов обрабатываемых поверхностей, для чего потребуются предварительные экспериментальные оценки.
1. Справочник технолога (справочное издание) / под. ред. Суслова А.Г. // М.: Инновационное машиностроение, 2019. – 800 с.
2. Смоленцев Е.В. Проектирование электрических и комбинированных методов обработки. М. Машиностроение. 2005. – 511 с. EDN: https://elibrary.ru/QNBFMR
3. Электрофизические и электрохимические методы обработки материалов. В 2 т. / Под ред. В.П. Смоленцева. М: Высшая школа, 1983. – 247 с.
4. Комбинированные методы обработки / В.П. Смоленцев, А.И. Болдырев, А.В. Кузовкин, Г.П. Смоленцев, А.И. Часовских. Воронеж: ВГТУ, 1996. – 168 с. EDN: https://elibrary.ru/LXCKFG
5. Смоленцев, В.П. Влияние электрохимической размерной обработки на физико-механические характеристики металлов // Электрохимическая обработка металлов. Сб. науч. тр. Кишинев: "Штиинца", 1972. – 226 с.
6. Сулима, A.M. Качество поверхностного слоя и усталостная прочность деталей из жаропрочных и титановых сплавов / A.M. Сулима, М.И. Евстигнеев. М.: Машиностроение, 1974. – 255 с.
7. Состояние и перспективы развития комбинированных методов обработки / Смоленцев В.П., Смоленцев Е.В. //Вестник Рыбинской государственной авиационной технологической академии им. П.А. Соловьева. – 2017. – № 2 (41). – С. 5-9. EDN: https://elibrary.ru/YPZEQZ
8. Абляз Т.Р. Изучение изменения свойств электродов в зависимости от режимов проволочно-вырезной электроэрозионнной обработки // Вестник ПГТУ. Машиностроение, материаловедение. – 2011. – Т. 13. – № 1. – С. 87-93.
9. Абляз T.P., Шлыков E.C., Кремлев С.С. Применение электродов-инструментов с покрытием для электроэрозиоиной обработки стали 38Х2Н2МА // СТИН. - 2017. - № 5. - С. 20 -21 EDN: https://elibrary.ru/ZDRIUL
10. Эмпирическое моделирование межэлектродного при электроэрозионной обработке стали 38Х2Н2МА / Т.Н, Абляз, Е.С. Шлыков, Д.А. Борисов, А.А. Шумков, И.Ю. Jleтягин// Вестник Пермского национального исследовательского политехнического университета. Машиностроение, материаловедение. – 2017. – Т. 19, № 2. – С. 67-79. DOI: https://doi.org/10.15593/2224-9877/2017.2.05; EDN: https://elibrary.ru/YTOHGT
11. Куц В.В. Исследование процесса получения отверстий полым электродом на модернизированном электроэрозионном станке ЧПУ / В.В. Куц, М.С. Разумов, Д.А. Зубков, А.С. Бышкин, А.А. Неструев // Известия Тульского государственного университета. Технические науки. 2020. – № 3. – С. 395-402. DOI: https://doi.org/10.24411/2071-6168-2020-00015; EDN: https://elibrary.ru/DJWSLT
12. Science-based technologies creation based on combined processing methods for fabrication aerospace filters / A.Yu. Ryazantsev, A.А. Shirokozhukhova, V.G. Gritsyuk// Materials Today: Proceedings, 19 (2019), 2065-2067 DOI:https://doi.org/10.1016/j.matpr.2019.07.075 EDN: https://elibrary.ru/SSBVAN
13. Innovative Methods For Obtainig Artificial Roughness On The Surfaces Of Heat-Loaded Parts Of The Liquid Rocket Engines Combustion Chamber / A.Yu. Ryazantsev, A.А. Shirokozhukhova, Yukhnevich S.S. // AIP Conference Proceedings 2318, 030004 (2021); https://doi.org/10.1063/5.0035987 EDN: https://elibrary.ru/QJYPUS
14. Micro electrical discharge machining single discharge temperature field simulation / Z.L. Peng, Y.N. Li, D. Fang, Y.Y. Zhang. - USA: JCPRC5, 2013. - P. 859-864.
15. Jiajing Tang, Xiaodong Yang. A Thermohydraulic Modeling for the Formation Process of the Discharge Crater in EDM // 18th CIRP Conference ISEM XVIII. - 2016. - № 42. - P. 685-690. DOI: https://doi.org/10.1016/j.procir.2016.02.302
16. Obara Н. Detection of Discharging Position on WEDM // Proceedings of 10th ISEM, 1992 - p. 404-409.
17. Umang Maradia. Meso-Micro EDM: diss. Dr. sc. ETH Zurich No. 22024. - Zurich, 2014. - 246 p.
18. Matthias Hackert-Oschatzchen. Single Discharge Simulations of Needle Pulses for Electrothermal Ablation. - Rotterdam: COMSOL Conference, 2013. - P. 1-5.
19. Weingartner E., Kuster F., Wegener K. Modeling and simulation of electrical discharge ma-chining // 1st CIRP Global Web Conference. - 2012. - № 2. - P. 74-78. DOI: https://doi.org/10.1016/j.procir.2012.05.043
20. Chander Parkash Khatter Analysis of surface integrity in electrical discharge machining (EDM) process for tungsten carbide material: dis. Ph. D. - Patiala, India, 2010.
