CC BY
75
DESIGN ELECTRODE TOOL ELECTROCHEMICAL TREATMENT FOR EXPERIMENTAL AT ULTRA-SMALL THE GAP AND MANUFACTURING METHOD
The paper contains the results of the design tools electrodes for electrochemical treatment in the megahertz range. It is also proposed less todika manufacturing such electrodes instruments basedfeatures is characteristic of such regimes.
Key words: micromachining, nanosecond pulses, the electrode tool, ultra-small gaps, electric double layer.
Venevtseva Svetlana Nikolaevna, postgraduate, baranovasvetlana@mail. ru, Russia, Tula, Tula State Universit
УДК 621.9.048
ИССЛЕДОВАНИЕ ПАРАМЕТРОВ ЕДИНИЧНЫХ ЛУНОК, ПОЛУЧЕННЫХ В РЕЗУЛЬТАТЕ ЭЛЕКТРОЭРОЗИОННОЙ ОБРАБОТКИ С ИСПОЛЬЗОВАНИЕМ ПЛАЗМЕННОГО ЭЛЕКТРОДА-ИНСТРУМЕНТА.
Д.В. Козырь
Проведены экспериментальные исследования геометрических параметров единичных лунок, полученных при электроэрозионной обработке с применением плазменного электрода-инструмента.
Ключевые слова: электроэрозионная обработка, плазма, электрод-
инструмент.
На сегодняшний день электроэрозионная обработка (ЭЭО) является одним из наиболее распространенных методов физико-химической обработки материалов. ЭЭО широко используется для изготовления деталей сложных форм из труднообрабатываемых материалов, таких как инструментальные стали, композиционные материалы, керамика и т.д. Процесс ЭЭО характеризуется точностью и высоким качеством обработанной поверхности.
Перспективным направлением развития ЭЭО является использование нетвердотельных плазменных электродов-инструментов, полученных с помощью оптического пробоя прозрачной среды лазерным излучением высокой мощности [1]. Применение плазменных электродов-инструментов позволяет расширить технологические возможности ЭЭО, снять ограничения, накладываемые на твердотельные электроды, связанные с максимальной электрической и механической нагрузкой. Исследование названного процесса ЭЭО является актуальной задачей. Настоящая работа посвящена
экспериментальному исследованию параметров единичных лунок, полученных на поверхности деталей в результате ЭЭО с использованием плазменных электродов-инструментов.
В результате ЭЭО образуется поверхность, представляющая собой совокупность большого количества лунок. В связи с этим, радиус, глубина и форма лунки оказывают существенное влияние на параметры шероховатости поверхности и производительность процесса [2]. Установив воздействие единичного электрического импульса на поверхность детали, можно предсказать качественную картину изменения параметров шероховатости поверхности, обработанной электроэрозионным методом. Таким образом, в работе будет экспериментально установлена зависимости радиуса, глубины и формы электроэрозионных лунок от энергии электрических импульсов, материала образца, рабочей жидкости.
Установка для проведения экспериментальных исследований. Схема экспериментальной установки для проведения электроэрозионной обработки с применением плазменного электрода-инструмента представлена на рисунке 1.
Осциллограф
Электроэрозионная
ячейка
Рис. 1. Схема экспериментальной установки
В качестве источника лазерного излучения используется импульсный Кё:УЛО лазер LQ929, позволяющий производить генерацию лазерного излучения с длиной волны X = 1064 нм, длительностью импульса т = 9 нс, энергией импульса Е = 1,5 Дж, частотой следования импульсов / = 10 Гц. Для фокусировки лазерного применяется сферическая линзы с фокусным расстоянием 80 мм. Перемещение электроэрозионной ячейки в процессе обработки происходит с помощью координатного стола с числовым программным управлением. Рабочая жидкость в зону обработки поступает из специального резервуара.
Источник питания представляет собой RC - генератор, состоящий из конденсатора емкостью 50 мкФ и предельным напряжением 1000 В, который заряжается от мощного трансформатора с передаточным отношением по напряжению 10 и предельным напряжением вторичной обмотки 2200 В. Регулировать величину напряжения первичной обмотки трансформатора позволяет лабораторный автотрансформатор, включенный между сетью 220В и трансформатором.
Для проведения экспериментальных исследований были изготовлены образцы из нержавеющей стали 12Х18Н10Т, титанового сплава ВТ-14 и алюминиевого сплава АК4, представляющие собой пластины квадратного сечения, размером 10х10 мм и толщиной 3 мм. Для достижения необходимой величины шероховатости поверхности и удаления измененного слоя после предыдущего вида обработки, образцы шлифовались наждачной бумагой, с постепенным уменьшением размера абразивных частиц. Затем образцы подвергались очистке и обезжириванию.
Условия проведения экспериментов. Экспериментальные исследования проводились при комнатной температуре и атмосферном давлении. В качестве рабочей жидкости применялось масло индустриальное И20 и деионизированная вода. Напряжение на электродах измерялось с помощью цифрового вольтметра. Значения рабочего тока в цепи фиксировались с помощью цифрового осциллографа АКИП-4115/4А, сигнал снимался с шунта 75-ШС-5. Эксперименты проводились при трех значения напряжения на электродах: 200В, 280В, 380В, что соответствует энергии заряда конденсатора: 1 Дж, 2 Дж, 3,6 Дж. Подключение электродов к источнику питания осуществлялось как в прямой, так и в обратной полярности.
Экспериментальные исследования проводятся следующим образом: очередной образец устанавливается в электроэрозионной ячейке и подключается к источнику электропитания. Затем включается источники электропитания и лазер. После формирования плазменного канала в элек-троэрозионной ячейке осуществляется касание его токоподводом, подключенным к источнику электропитания. Таким образом, между плазменным каналом и образцом создается разность потенциалов. В полученный межэ-лектродный зазор подается рабочая жидкость, и с помощью контроллера приводов двухкоординатного стола образец плавно подводится к плазменному каналу. При приближении образца к плазменному каналу между ними происходит электрический разряд и на поверхности образца возникает лунка. Для достоверности эксперимента на образце получалось 30 лунок. После окончания экспериментов, электроэрозионные лунки фотографировались, измерялся их диаметр с помощью микроскоп БМИ-1Ц, оснащенного системой электронной индикации перемещения рабочего стола с дискретностью 1 мкм, профиль и глубина измерялись на профилографе -профилометре Surf Corder 1400а.
Результаты и обсуждение. На рис. 2 представлены фотографии и профили полученных лунок, соответствующих напряжению на электродах 280В.
Рис. 2. Фотографии и профиль электроэрозионных лунок, 280В, прямая полярность: рабочая жидкость масло: а - алюминиевый сплав АК4; б - сталь 12Х18Н10Т; в - титановый сплав ВТ-14 (рабочая жидкость вода); г - алюминиевый сплав АК4й; д - сталь 12Х18Н10Т; е - титан
Из анализа фотографий видно, что форма лунок может быть представлена окружностью с разной степенью приближения. Наименьшую степень отклонения от окружности имеют лунки, полученные на поверхности алюминия. Искажение формы лунки зависит от силового воздействия струй паров, которые не только формируют металл валика, окаймляющего
лунку, но и обуславливает крайне неравномерное перемещение микрообъектов еще не застывшего металла лунки. Из-за низкой температуры плавления и вязкости алюминия, металл лучше удаляется из зоны теплового воздействия, и форма полученных лунок примерно соответствует форме разрядного плазменного канала. Наибольшее искажение формы лунок наблюдается на поверхности титана.
Так же на форму лунок оказывает влияние рабочая жидкость. Наименьшее отклонение от окружности и более точный контур наблюдается при использовании масла. Это связано с более высокой вязкость и лучшей эвакуацией продуктов эрозии.
При использовании обратной полярности на ячейке, когда нетвердотельный электрод-инструмент является анодом, наблюдается полярный эффект, выраженный меньшим объемом удаления материала образца и большим искажением формы полученных лунок (рис. 3) при тех же параметрах обработки.
На рисунках 4 и 5 представлены зависимости среднего диаметра и средней глубины лунок от энергии электрического импульса при обработке в масле и воде. По результатам анализа графиков (рис. 4) можно сделать вывод об увеличении диаметра и глубины лунок при увеличении энергии электрического импульса практически для всех исследуемых материалов и рабочих жидкостей. Однако рост глубины лунок при увеличении приложенного напряжения крайне незначителен по сравнению с ростом диаметра. Это можно объяснить тем, что при увеличении энергии электрического импульса при той же длительности выделяется большее количество теплоты, и соответственно нагреву подвергается большая площадь образца. Однако из-за неизменной длительности импульсов глубина распространения температурного поля увеличивается не сильно. Так же было установлено, что при увеличении приложенного напряжения возрастает дисперсия отдельных значений диаметра и глубины лунок, что в целом негативно сказывается на прогнозировании результатов процесса обработки.
а б в
Рис. 3. Фотографии электроэрозионных лунок, 280В, обратная полярность, рабочая жидкость - масло: а - алюминиевый сплав АК4; б - сталь 12Х18Н10Т; в - титановый сплав ВТ-14
Наибольшие размеры лунок зафиксированы для алюминиевого сплава, наименьшие для титана. Полученные результаты хорошо согласуются с традиционными представлениями о электроэрозионной стойкости различных материалов в зависимости от их теплофизических свойств.
0,5 0,45 0,4 э г ВС 0,35 ж 0,3 0,25 0,2
/ # масло И вода
Л
//
200 280 380 Напряжение, В
а
Рис. 4. Зависимости средних диаметров лунок от величины напряжения и типа рабочей жидкости: а - сталь 12Х18Н10Т; б - алюминиевый сплав АК4; в - титановый сплав ВТ-14
355
200 280 380
Напряжение, В
а
Рис. 5. Зависимости средних глубин лунок от величины напряжения
и типа рабочей жидкости: а - сталь 12Х18Н10Т; б - алюминиевый сплав АК4; в - титановый сплав ВТ-14
Глубина лунок полученных при использовании масла значительно превышает глубину лунок полученных в воде при прочих равных условиях обработки, что связано с лучшими эвакуационными свойствами масла на грубых режимах обработки.
Вывод.
В работе были проведены экспериментальные исследования единичных лунок, полученных при ЭЭО с применением плазменного электрода-инструмента. Были установлены зависимости диаметров, глубин и формы электроэрозионных лунок от энергии электрических импульсов, материала образцов, типов рабочей жидкости. Характер полученных лунок соответствует классическим представлениям о форме и размерах электро-эрозионных лунок.
Список литературы
1. Любимов В.В., Сабинин Е.А. Расширение технологических возможностей и обоснование новых технологических схем электрофизикохимических методов обработки // Известия Тульского государственного университета. Технические науки. 2010.
2. Фотеев Н. К. Технология электроэрозионной обработки. М.: Машиностроение, 1980. 183 с.
Козырь Денис Владимирович, аспирант, kozyr. d. v@mail. ru, Россия, Тула, Тульский государственный университет
INVESTIGA TION OF CRA TER PARAMETERS BY ELECTRICAL DISCHARGE MACHINING WITH PLASMA ELECTRODE-TOOL.
D. V. Kozyr
Experimental researches of crater morphology by electrical discharge machining with plasma electrode-tool were given
Key words: electrical discharge machining, plasma, electrode-tool.
Kozyr Denis Vladimirovich, postgraduate, Tula State Universit
