CC BY
19
chining process using nanosecond voltage pulses for the conditions of competition of the double electric layer charging and anodic dissolution of metal is performed. The local-one-dimensional approximation is used in the simulation. The influence of the processes of charge of the double electric layer and anodic dissolution on the process parameters is shown. The change of anode potential depending on the voltage pulse number in the package and processing conditions is investigated. The influence of the duty cycle of the voltage pulses in the package on the residual charge of the double electric layer in the subsequent voltage pulses of the package is estimated. The ratio ofprocessing time and flushing time is considered. The time of single flushing is estimated. Process performance evaluation is performed.
Key words: electrochemical machining, packets pulses, nanosecond pulses.
Lyubimov Victor Vasilevich, doctor of technical sciences, professor, lvv@tsu. tula.ru, Russia, Tula, Tula State University,
Volgin Vladimir Mirovich, doctor of technical sciences, professor, volgin@tsu. tula. ru, Russia, Tula, Tula State University,
Krasilnikov Vladislav Petrovich, assistant, ferevlad@yandex. ru, Russia, Tula, Tula State University
УДК 621.9.048
ИССЛЕДОВАНИЕ ФОРМИРОВАНИЯ КАЧЕСТВА ПОВЕРХНОСТИ ПОСЛЕ МИКРОЭЛЕКТРОЭРОЗИОННОЙ ОБРАБОТКИ С ИСПОЛЬЗОВАНИЕМ НАНОСЕКУНДНЫХ ИМПУЛЬСОВ НАПРЯЖЕНИЯ
В.В. Любимов, В.М. Волгин
Проведено исследование формирование качества поверхности при использовании наносекундных импульсов напряжения в процессе электроэрозионной обработки. Показаны особенности формирования лунок при большой напряженности электрического поля в межэлектродном промежутке и стримерном формировании канала пробоя.
Ключевые слова: электроэрозионная обработка, качество поверхности, импульсы напряжения наносекундной длительности.
Введение. Электроэрозионная обработка (ЭЭО) широко применяется основном и инструментальном производствах. ЭЭО является одним из перспективных формообразующих процессов, так как позволяет обрабатывать труднообрабатываемые, хрупкие материалы с высокой производительность и точностью [1 - 3]. ЭЭО основана на создании высокотемпературного канала пробоя между заготовкой и инструментом в диэлектрической жидкости. В результате пробоя происходит локальное удалении материала заготовки. К сожалению, одновременно происходит износ инструмента.
Характеристики единичного разряда и образующейся при этом лунки, а также эффекты от взаимодействия последовательных разрядов с учетом энергетической неоднородности обрабатываемой поверхности оказывают существенное влияние на качество обработанной поверхности. Формированию канала разряда и единичной лунки посвящено большое количество работ, в большинстве из которых используются допущения и геометрической и энергетической однородности поверхности [4 - 6].
363
Считается, что при разряде формируется лунка в виде сферического сегмента с определенными диаметром и глубиной. В работе [6] что при традиционных режимах обработки диаметр лунки находится в пределах от 40 до 500 мкм при глубине лунок 4 до 50 мкм.
При многократных разрядах, перекрытии лунок, их гнездовании происходит формирование шероховатости обработанной поверхности. Большинство работ, посвященных качеству ЭЭО, являются экспериментальными из-за трудностей теоретической оценки связи мощности импульса напряжения с геометрическими параметрами лунок. Имеются и публикации, посвященные теоретическому исследованию процесса [7 - 9]. Во многих из таких работ рассматривается только единичный импульс и формирование единичной лунки. В последнее время опубликован ряд работ [10 - 12], в которых моделируется процесс из нескольких последовательных разрядов.
Трудности анализа процесса формирования шероховатости поверхности возрастают при использовании новых генераторов импульсов напряжения, обеспечивающих наносекундные импульсы напряжения. Идея применения коротких импульсов напряжения связана с перспективой снижения износа электрода-инструмента. Борьба с износом инструмента традиционно ведется необходимости применения дорогостоящих, сложных по составу эрозионностойких материалов, необходимости применения сложных технологических схем обработки (например, с перемоткой электрода-проволоки).
Целью работы является исследование влияния вида и параметров канала пробоя, параметров формируемых лунок на формирование качества поверхности.
Постановка задачи. Задачей работы является изучение формирования канала пробоя и образования лунок при съеме материала. Шероховатость поверхности при электроэрозионной обработке образуется последовательно формирующимися лунками, как следствием удаления материала электрода в зоне канала разряда. Лунки на поверхностях электродов образуются с различной интенсивностью, зависящей от мощности разряда и полярности электродов.
Шероховатость поверхности электрода-заготовки является следствием наложения лунок, образующихся на обрабатываемой поверхности и лунок на поверхности электрода-инструмента вследствие его износа.
Исследованию износа электрода-инструмента посвящено большое количество работ [13 - 16]. На основании критерия Палатника составлен ряд эрозионностойких материалов по мере убывания стойкости: графитизированные материалы, вольфрам, медь, латунь, чугун, алюминий и его сплавы [17]. Наибольшее распространение нашли медные электроды-инструменты из меди марок МО, М1, М» и углеграфизированных материалов.
Однако большинство работ посвящено методам уменьшения износа электрода-инструмента как последствия принятого энергетического обеспечения (длительность и скважность импульсов напряжения) [2]. Практически отсутствуют работы по предотвращению нагрева поверхностного слоя электрода-инструмента до температур выше температуры плавления и кипения материала электрода-инструмента за счет формирования кратковременно существующего канала разряда.
В последние годы ведутся работы в основном за рубежом по изучению влияния коротких импульсов напряжения на формирование износа электрода-инструмента [2]. Однако состояние плазменного канала при ЭЭО, скорость его образования изучены недостаточно.
На формирование плазменного канала оказывает влияние: напряженность электрического поля в межэлектродном промежутке; различие скоростей электрических процессов переноса заряда и процессов переноса вещества как внутри, так и вне канала пробоя (перемещение рабочей жидкости, формирование газового пузыря и т.п.); длительность импульса напряжения.
В настоящее время ЭЭО осуществляется при длительно существующих каналах разряда в диэлектрической жидкости. Это приводит к существенно расширенному каналу и уменьшению плотности тепловой энергии, потерям из-за развития параллельных процессов (возникновение воздушного пузыря, нагрев диэлектрической жидкости вне канала пробоя и др.).
Современные транзисторные генераторы импульсов напряжения позволяют формировать наносекундные импульсов напряжения и три режима существования канала пробоя:
режим несформированного канала пробоя;
режим полного перемыкания межэлектродного зазора при 1имп = 1*ас;
режим передержки канала пробоя при 1имп = 1*ас + ^агр, где 1*ас - длительность импульса напряжения до касания головкой стримера противоположного электрода; 1нагр - время от момента касания до нагрева поверхностного слоя противоположного электрода до температуры плавления или испарения.
Названные режимы могут быть реализованы при большой напряженности электрического поля в межэлектродном промежутке (Е>36 кВ/см) [4] и его электрическом пробое при формировании стримера [18, 19]. Зарождение и распространение стримеров в конденсированных средах происходит из-за неоднородностей электрического поля, являющихся очагом инициирования разряда.
Первый и второй режимы осуществления МЭЭО являются принципиально новыми. Осуществление микроэлектроэрозионной обработки в рассматриваемых режимах открывает перспективу безизносной обработки.
Таким образом, с использованием современных генераторов наносекундных импульсов напряжения возможно создание кратковременно существующих каналов разряда стримерного типа, обеспечивающих такое распределение тепловых потоков при котором возможно снижение температуры электрода-инструмента ниже температуры плавления. В этом случае шероховатость поверхности электрода-инструмента сохраняется исходной. Шероховатость обрабатываемой поверхности уменьшается в соответствии с уменьшением энергии импульса напряжения. Поэтому такую схему обработки можно рекомендовать для режима микрообработки.
Размеры лунки определяются мощностью импульса напряжения, а форма лунки определяется соотношением К= кл/тл. Из исследований по пробою жидких диэлектриков известно, что начальный диаметр сформированного канала пробоя может составлять 30^100 мкм [4, 18]. В настоящее время при ЭЭО используется достаточно широкий диапазон длительностей импульсов (10-7 ^ 10-2 с) [6]. Плазменный канал расширяется со скоростью Урк » 0.5^5 км/с [4, 18]. Следовательно, за время действия импульса напряжения диаметр канала составит:
& = do + Урк1рк, (1)
где & - текущая величина диаметра канала разряда, мкм; &0 -начальный диаметр канала разряда, мкм; Урк - скорость расширения канала разряда; 1рк - время расширения канала разряда.
Для минимальной длительности импульса напряжения 1р = 10-7 с,
& = &0 + Уркгрк = (30 -100) + (5 • 108 - 5 -109) • 10 = 80 - 600 мкм.
Этот расчет объясняет большую величину коэффициента К, представляющего собой отношение радиуса эрозионной лунки к ее глубине. В работе [6] приведены величины К = 5.1 - 7.6. Увеличение диаметра плазменного канала при большой длительности импульса напряжения приводит к существенному уменьшению плотности тепловой энергии и снижению эффективности процесса.
Исходя из проведенного анализа уменьшение длительности импульса напряжения до десятков наносекунд приведет к изменению соотношения между кл и г л в сторону уменьшения диаметра лунки. Кроме того, возможно усложнение процессов эвакуации продуктов эрозионного разрушения из лунки и изменение ее геометрии.
В целом при уменьшении мощности импульса напряжения можно ожидать уменьшения размеров единичных лунок при существенном изменении их формы из-за повышения скоростей переноса вещества при его плавлении и кипении.
Результаты и обсуждение. В работе выполнены предварительные исследования формирования эрозионных лунок при использовании наносекундных импульсов напряжения.
Исследования были выполнены при следующих условиях:
Длительность импульсов напряжения: 20...500 нс; 200 мкс;
Напряжение на ячейке: до 250 В;
Межэлектродный зазор: 10.50 мкм.
Измерения лунок производились на зондовом микроскопе Solver Pro 47.
В результате обработки получены нетипичные лунки, геометрические параметры которых ранее не имели места (рис. 1 - 10).
800 750 700 6S0 600 550 500
Рис. 1. ЗБ-изображение единичной лунки на электроде—заготовке при длительности импульса t^n = 500 нс (1—1, 2—2 сечения лунки)
um
Рис. 2. Профилограмма участка 1—1 (см. рис. 1)
um
Рис. 3. Профилограмма участка 2—2 (см. рис. 1)
Из рис. 1-3 следует, что при указанной длительности импульса напряжения лунка имеет форму близкую к сферической с небольшим бруствером.
Рис. 4. 31) изображение лунки на электроде—заготовке при длительности иМПуЛЪСа ?имп = 20 не
Рис. 5. Профилограмма участка поверхности электрода 3-3 (см. рис. 4)
Уменьшение длительности импульса напряжения до 20 не радикально изменяет профиль лунки (рис.4). Образуется переменный по высоте бруствер и вершина внутри лунки.
Рис. 6. ЗБ-изображение лунки на электроде-заготовке в виде ракушки при длительности иМПуЛЪСа ?имп 500 не (4—4, 5—5 сечения лунки)
На электродах-инструментах при длительности импульса 1:Имп= 500нс были замечены наплывы в центре которых были небольшие лунки. На рис. 9 изображена одна из таких лунок, диаметр лунки равен 2 мкм, а глубина 35 нм; длительность импульса =500 не.
ш
Рис. 7. Профилограмма участка 4-4 (см. рис. 5)
Рис. 8. Профилограмма участка 5—5 (см. рис. 5)
Рис. 9. 3Б изображение лунки с малыми параметрами (6—6 сечение лунки)
На электродах были замечены лунки, образованные без бруствера, в центре которых находилась вершина.
Рис. 10. Профилограмма участка поверхности 6—6 (см. рис. 9).
368
Заключение. По результатам проведенных экспериментов сделаны следующие
выводы:
1. При использовании наносекундных импульсов напряжения существенно изменяется геометрия лунок. Имеют место существенно разновысотные брустверы, канавки по внешнему контуру бруствера, вершины внутри лунок. Однако малый объем исследований, отсутствие статистических данных не позволяет сделать боле надежные выводы.
2. Соотношение площадей лунок на электроде-заготовке и электроде-заготовке на основе явления полярности при использовании наносекундных импульсов напряжения примерно оценено как 2:1.
3. При уменьшении длительности импульса от 200 мкс до 500 нс максимальный диаметр лунки на катоде- инструменте уменьшился с 6 мкм до 3,5 мкм. Следовательно, использование наносекундных импульсов напряжения приводит к существенному снижению износа катода- инструмента.
4. Глубина лунки зависит от длительности импульса, при уменьшении длительности импульса от 200 мкс до 500 нс глубина лунки уменьшилась с 600 нм до 200 нм; при уменьшении длительности импульса от 500 нс до 20 нс максимальная глубина лунки увеличилась с 200 нм до 140 нм.
Работа выполнена при поддержке РФФИ и Тульской области в рамках научного проекта № 19-48-710009.
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) Nontraditional Micromachining Processes: Fundamentals and Applications. Berlin: Springer, 2017. 422 p.
3. Rajurkar K.P., Sundaram M.M., Malshe A.P. Procedia CIRP. 2013. 6. P. 13-26.
4. Наугольных К. А., Рой Н.А. Электрические разряды в воде. М.: Наука, 1971.
155 с.
5. Золотых Б.Н., Мельдер Р.Р. Физические основы электроэрозионной обработки. М.: Машиностроение, 1977, 43 с.
6. Фотеев Н.К. Технологии электроэрозионной обработки. М.: Машиностроение, 1980. 184 с.
7. DiBitonto D.D. et al. Theoretical models of the electrical discharge machining process. I. A simple cathode erosion model // Journal of applied physics. 1989. V. 66. №. 9. С. 4095-4103.
8. Patel M.R. et al. Theoretical models of the electrical discharge machining process. II. The anode erosion model // Journal of applied physics. 1989. V. 66. №. 9. P. 4104-4111.
9. Eubank P.T. et al. Theoretical models of the electrical discharge machining process. III. The variable mass, cylindrical plasma model // Journal of applied physics. 1993. V. 73. №. 11. P. 7900-7909.
10. Tan P.C., Yeo S.H. Modelling of overlapping craters in micro-electrical discharge machining // Journal of Physics D: Applied Physics. 2008. V.41(20). ArtNum. 205302.
11. Izquierdo B., Sanchez J.A., Plaza S., Pombo I., Ortega N. A numerical model of the EDM process considering the effect of multiple discharges // International Journal of Machine Tools and Manufacture. 2009. V.49(3). P. 220-229.
12. Izquierdo B., Sanchez J.A., Ortega N., Plaza S., Pombo I. Insight into fundamental aspects of the EDM process using multidischarge numerical simulation // The International Journal of Advanced Manufacturing Technology. 2011. V. 52. P. 195-206.
13. Janesan E.C. Electrical Discharge Machining, MTA/SVE, 2001. 329 p.
14. Lyubimov V.V., Volgin V.M., Gnidina I.V., Salomatnikov M.S. Formation of the workpiece shape and surface finish during electrical discharge machining // Procedia CIRP. 2018. V. 68. P. 319-324.
15. Оглезнев Н.Д. Исследование износостойкости электродов-инструментов из композиционных материалов для электроэрозионной обработки // Вестник Пермского национального исследовательского политехнического университета. Машиностроение, материаловедение. 2014. Т. 16. №. 3. C. 54 - 69.
16. Jameson E. C. Electrical discharge machining. Society of Manufacturing. 1983.
238 p.
17. Артамонов Б.А., Вишницкий А.Л., Волков Ю.С., Гладков А.В. Размерная электрическая обработка металлов: учебное пособие для студентов вузов. М.: Высшая школа, 1978. 336 с.
18. Ушаков В .Я. Импульсный электрический пробой жидкостей. Томск: Изд-во ТГУ, 1975. 255 с.
Любимов Виктор Васильевич, д-р техн. наук, профессор, lvv@,.tsu.tula.ru, Россия, Тула, Тульский государственный университет,
Волгин Владимир Мирович, д-р техн. наук, профессор, volgin@.. tsu. tula. ru, Россия, Тула, Тульский государственный университет
STUDY OF THE FORMA TION OF THE SURFACE QUALITY AFTER MICROELECTRONICSEROSION TREATMENT USING NANOSECOND VOLTAGE
PULSES
V.V. Lyubimov, V.M. Volgin
A study of the formation of surface quality using nanosecond voltage pulses in the of electrical discharge machining is carried out. A study of the formation of surface quality using nanosecond voltage pulses in the process of electroerosion treatment is carried out. The features of the craters formation with a high electric field strength in the interelectrode gap and streamer formation of the breakdown channel are shown.
Key words: electrical discharge machining, the surface quality, the voltage pulses of nanosecond duration.
Lyubimov Victor Vasilevich, doctor of technical sciences, professor, lvv@tsu. tula.ru, Russia, Tula, Tula State University,
Volgin Vladimir Mirovich, doctor of technical sciences, professor, vol-ginatsu. tula. ru, Russia, Tula, Tula State University
