CC BY
133
УДК 621.9.047
МЕХАНИЗМ КОНТАКТНОЙ КОМБИНИРОВАННОЙ РАЗМЕРНОЙ ВЫСОКОСКОРОСТНОЙ ОБРАБОТКИ НЕПРОФИЛИРОВАННЫМ ЭЛЕКТРОДОМ
О.Н. Кириллов
В статье рассматривается механизм контактной комбинированной размерной высокоскоростной обработки непрофилированым электродом-щеткой, приводятся экспериментальные исследования метода обработки
Ключевые слова: механизм, универсальный, импульсный режим, чистовая обработка, электрод-щетка
Современный этап развития машиностроения характеризуется частой сменой объекта производства, усложнением конструктивных решений, повышением требований к качеству, долговечности, снижению себестоимости. В гибкоструктурных быстропереналаживаемых технологиях большое место занимают обработка лезвийным инструментом на станках с ЧПУ, гибких производственных системах (ГПС) электрические методы обработки.
Анализ развития машиностроения [1] показывает, что при обработке изделий лезвийным инструментом существует ряд серьёзных ограничений: ограниченные технологические возможности из-за трудностей доступа в закрытые зоны обработки; сложности дальнейшего повышения технологических показателей, требуемых в новых изделиях современной техники; режущий инструмент применяется только для определённых видов работ (точения, фрезерования, сверления и т.д.); на его изготовление требуется значительное время; режущие инструменты изготавливаются из дорогостоящего материала с повышенными физико-механическими свойствами, высокой точностью и качеством обработки, вследствие чего их производство является очень дорогостоящим.
Гибкоструктурное производство требует использования универсального инструмента и для этого наиболее полно подходят нетрадиционные электрофизические и электрохимические технологии, где в качестве инструмента используется непрофи-лированный электрод-инструмент, который может быть выполнен в форме жесткого стержня, натянутой проволоки, электрода-щетки с рабочей частью из консольно закрепленной проволоки. Первые два вида обработки непрофилированным инструментом достаточно полно исследованы в научных школах
Уфы, Казани, Москвы [2,3], а наиболее сложный вариант со свободным положением рабочей поверхности (электрод-щетка) начал изучаться с семидесятых годов прошлого века в Казани и Воронеже.
Большинство выполненных в этой области исследований [4,5] относятся к безразмерному формированию качественного поверхностного слоя, но не решают основной проблемы - размерной обработки
Кириллов Олег Николаевич - ВГТУ, канд. техн. наук, доцент, тел. 8-908-1472413
точных деталей сложной формы, особенно из сплавов, трудно поддающихся механической обработке. Дальнейшее развитие одного из перспективных технологических направлений (комбинированных методов обработки с наложением электрического поля) возможно только после раскрытия механизма размерного формообразования различных поверхностей универсальным непрофилированным электродом-инструментом (электродом-щеткой) и разработки методологии проектирования технологических процессов, средств технологического оснащения для размерной обработки с обеспечением технологических показателей достигнутых в механообработке. Для этого потребовался новый подход к обоснованию и развитию процесса размерного формообразования, что можно рассматривать как основу для нового научного технологического направления: создания технологии изготовления изделий современной техники сложной формы из токопроводящих материалов единым универсальным общедоступным инструментом, что способно заменить значительную часть применяемого сложного дорогостоящего оборудования на универсальное, более простое, ускорить технологическую подготовку
производства, сократить сроки запуска и освоения новых изделий, усилить позиции страны на мировом рынке промышленной продукции.
Мы решаем проблему создания универсального контактного способа комбинированной размерной чистовой высокоскоростной обработки нежестким инструментом, разработку методологии проектирования нового технологического процесса, инструмента и оборудования для реализации предложенного способа в машиностроении.
При комбинированной обработке непрофили-рованным электродом-щеткой на обрабатываемую поверхность воздействуют: электроэрозионная обработка импульсом тока, формируемым в межэлек-тродном зазоре, определяющая производительность, точность, состояние поверхностного слоя изделия; анодное растворение металла, улучшающее качество слоя и ускоряющее удаление припуска; механическое воздействие пучков проволоки, которое сводится к депассивации и локальному нагреву обрабатываемой поверхности. По факторам воздействия на заготовку высокоскоростную обработку электродом-щеткой можно разбить на 3 этапа. На рис. 1 представлена схема высокоскоростной обработки электродом-щеткой.
Первый этап начинается с момента появления гидродинамического клина. В момент приближения пучка проволоки к заготовке происходит только процесс анодного растворения удаляемого припуска, заканчивающийся после выхода проволоки из зоны обработки (окончание 3 этапа). Анодное растворение начинается при достижении величины ме-жэлектродного зазора Sa достаточной для начала процесса электрохимической обработки. На первом и третьем этапах процессы идентичны так как момент входа и выхода проволоки одинаковы. На
Su (начало электроэрозионной обработки), происходит воздействие на заготовку импульсом тока, сформировавшимся в межэлектродном промежутке. В результате, в зоне разряда, металл расплавляется и происходит его удаление с поверхности заготовки. На этом этапе возможно разовое кратковременное механическое соприкосновение проволок рабочей части инструмента с поверхностью заготовки, которые кроме удаления оксидных пленок, вызывают локальный нагрев места обработки, что повышает производительность комбинированного процесса.
При высокоскоростной обработке электродом-щеткой не может возникать длительных прямых контактов инструмента и заготовки, переходящих в дуговые разряды. Это обеспечивается высокой окружной скоростью инструмента, геометрией рабочей части ( расчетным шагом между пучками проволоки, длиной, диаметром и т. д.), физикомеханическими характеристиками материала проволоки , электрическими параметрами режимов обработки . На рис. 2 показано положение соседних пучков проволоки электрода-щетки при высокоскоростной обработке. Шаг Lm между пучками проволоки электрода-инструмента должен быть таким, чтобы в момент достижения очередным пучком
пучок проволоки находился на расстоянии от заготовки К, большем чем Su ( К^и). Соблюдение ука-
Рис. 1. Схема высокоскоростной обработки электродом-щеткой
втором этапе, по мере приближения пучка проволок к обрабатываемой поверхности и достижения зазора
Рис. 2. Положение соседних пучков проволоки электрода-щетки при высокоскоростной обработке
занных условий позволяет проводить размерную обработку непрофилированным электродом-инструментом в импульсном режиме и за счет этого достигать технологические показатели свойственные чистовой обработке.
Устоявшийся в литературе технологический показатель - прижим инструмента - потребовал нового содержания, которое звучит как контакт, то есть разовое кратковременное соприкосновение обеспечиваемое положением концов нежесткого непрофилированного электрода-инструмента со стороны заготовки. Основное время обработки процесс протекает с зазором. Это влияет на механизм формирования поверхностного слоя, так как принятый ранее в электроконтактной обработке подход к удалению припуска путем управления дуговым разрядом [6] в нашем случае не правомерен. Мы считаем, что при чистовой обработке может существовать только импульсный (кратковременный) разряд, основной период которого протекает при зазоре, а его длительность регулируется временем прохождения периферией инструмента зоны удаления припуска. За счет этого снижается глубина образующихся неровностей и повышается точность обработки так как единичный съем более управляем. Тогда вторым управляющим технологическим фактором становится скорость относительного перемещения инструмента относительно электрода заготовки (для дискового электрода-инструмента это частота вращения).
Таким образом, решение проблемы создания технологического процесса чистовой обработки возможно, если обеспечить управление процессом поддержания взаимного положения электродов в зоне обработки [7] и ограничить время развития электрического разряда периодом начала перехода импульсного режима в дуговой. Отсюда вытекают требования к формированию геометрии электрода-инструмента, свойствам материала электрода-инструмента, технологическим параметрам оборудования.
Теоретические положения, изложенные выше, подтверждаются проведенными экспериментальными исследованиями. На рис. 3 представлены результаты влияния величины контакта электрода-щетки и заготовки на чистоту обработки. Исследования проводились при следующих режимах: напряжение И-8В; продольная подача заготовки 8-0,3-0,45 м/мин.; диаметр проволок щетки ^-0,2 мм, рабочая среда - токопроводящая смазочно-охлаждающая жидкость с добавлением водных растворов нейтральных солей ( 3% №С1).
Из анализа экспериментальных данных следует, что с увеличением контакта чистота обработанной поверхности ухудшается. Так при величине контакта по длине проволоки 0,5 мм шероховатость обработанной поверхности составляет Яа 0,5 мкм, при увеличении контакта до 1,5 мм шероховатость возрастает до Яа 1,2 мкм. Исходя из представленных данных следует, что для чистовых операций контакт электрода-щетки и заготовки должен равняться 0.
Я„т.н
&
«—1—1—I—1—1----1—1---1—
05 І0 1$ Яш
Рис.3. Влияние величины контакта электрода-щетки и заготовки на чистоту обработки: 1 - верхнее отклонение шероховатости; 2 - среднее значение шероховатости; 3 -нижнее отклонение шероховатости
Однако проводить обработку с нулевым контактом электрода - инструмента и заготовки не осуществимо, даже для изделий плоской формы, так как при обработке исходная поверхность не является идеально ровной. Концы проволок загибаются, что приводит к потере величины истинного наружного диаметра электрода - щетки. На рис.4 представлен фрагмент электрода - щетки после комбинированной обработки корпусов. Из рис.4 видно, что в статике и динамике величина диаметра диска инструмента разная. Истинный диаметр электрода - щетки найдем из уравнения:
^ ист ^ ст + ^,
где Бист - диаметр электрода - щетки с проволоками в выпрямленном положении (при достижении за-
Ост
Рис. 4. Фрагмент электрода - щетки после комбинированного удаления заусенцев и размерного скругления острых кромок на корпусных деталях
данного значения Уокр),
Бст - диаметр электрода - щетки в статике,
А - величина загиба концов проволок электрода
- щетки в результате электроэрозионных разрядов и механического контакта с заготовкой.
В процессе работы электрода - щетки проволока изгибается и придать ей прямолинейную форму можно только за счет центробежных сил от вращения инструмента [7].
Одним из важнейших параметров управления величиной контакта (зазора) процесса комбинированной обработки является окружная скорость.
На рис. 5 представлена зависимость шерохо-
Рис. 5. Влияние окружной скорости электрода - инструмента на чистоту обрабатываемой поверхности: 1 -верхнее отклонение шероховатости; 2 - среднее значение шероховатости; 3 - нижнее отклонение шероховатости ватости обрабатываемой поверхности от окружной скорости электрода - щетки. Исследования проводились при следующих режимах: напряжение и - 3В; величина контакта электрода - щетки и заготовки Н
- 0,1 - 0,2 мм; продольная подача заготовки 8 - 0,3
- 0,45 м/мин.; диаметр проволок щетки ^р-0,2 мм; рабочая среда - токопроводящая смазочноохлаждающая жидкость с добавлением водных растворов нейтральных солей ( 3% №С1).
Из анализа полученных результатов следует, что с переходом обработки электродом - щеткой в зону высоких скоростей появляется возможность получения показателей характерных для чистовой обработки. При окружной скорости 30 м/с и выше достигаются высокие показатели качества обрабатываемой поверхности Яа 0,5 мкм и ниже. Это подтверждается и проверкой в производственных условиях [8]. Так увеличение окружной скорости при обработке чугунных решеток с 12 м/с до 30 м/с позволило улучшить качество обрабатываемой поверхности с Из 70 мкм до Яа 3 - 5 мкм.
Шероховатость поверхности зависит от технологических показателей. На рис. 6 представлены результаты исследований по изменению шероховатости изделий из термообработанной стали У8А от
Рис. 6. Зависимость шероховатости обрабатываемой поверхности от режимных параметров тока и напряжения
величины тока и напряжения. Обработка происходила с режимами, аналогичными используемым при исследованиях, представленными ранее (рис.3, 5). Из анализа полученных результатов можно сделать следующие выводы: снижение напряжения до 4 В не оказывает существенного влияния на увеличение шероховатости, после 6 В величина шероховатости начинает возрастать. Увеличение силы тока приводит к значительным изменениям шероховатости после 4 В. Отсюда можно сделать вывод, что для высокоскоростной размерной обработки наиболее пригодным будет напряжение в диапазоне 4-6 В.
На рис. 7 представлена дисковая цилиндрическая щетка шириной Ь для размерной комбинированной высокоскоростной обработки с расчетными: шагом между проволоками, плотностью набивки, окружной скоростью и диаметром инструмента. За счет высоких окружных скоростей удалось снять ограничения по ширине электрода щетки, что позволяет интенсифицировать процесс чистовой обработки, производя ее за один или меньшее число проходов. Ранее ширина используемой
для комбинированной обработки электрода - щетки
Рис. 7. Цилиндрическая электрод - щетка для высокоскоростной обработки
составляла 10 - 20 мм. Сейчас появилась возможность проводить обработку инструментом с шириной до 400 мм. Однако такая электрод - щетка может использоваться для обработки только линейных поверхностей. Цилиндрическая электрод - щетка использовалась при обработке с высокими окружными скоростями до 50 м/с. После обработки концы проволок остались прямыми, что подтверждает предложенную теорию размерной высокоскоростной обработки непрофилированным электродом -щеткой.
Электрод-щетка использовалась для обработки изделий из различных материалов [9]: стали, чугуна, цветных сплавов.
На рис. 8 представлены образцы сварных швов из нержавеющей стали для новых авиационных из-
а) 5)
Рис. 8. Образцы сварных швов:
а) до высокоскоростной обработки электродом-щеткой
б) после высокоскоростной обработки электродом-щеткой
делий до, рис. 8а и после, рис. 8б высокоскоростной
обработки непрофилированным электродом-щеткой. Вид сварки - в накладку, исходная поверхность характеризуется наличием слабосвязанных крупных,
игольчатых напусков (грат) с размером до 2 мм уступами, отсутствием гладкой переходной кромки.
После высокоскоростной комбинированной обработки электродом-щеткой получен размерный съем с точностью + 0,08 мм, напуски с поверхностей сварного шва удалены, отсутствуют уступы, шероховатость Яа 0,63 мкм.
Выводы:
1. Разработан новый научный подход, заключающийся в том, что управлять процессом обработки непрофилированным электродом-щеткой возможно за счет использования в качестве режимных параметров окружной скорости инструмента. Увеличение этого параметра до значения достаточного для выпрямления проволоки и получения истинной величины точечного касания, позволило перейти от дугового процесса в импульсный и обеспечить в едином технологическом процессе обработки универсальным проволочным инструментом технологических параметров чистовой обработки.
2. Раскрыт механизм контактного комбинированного размерного формообразования поверхности изделия непрофилированным электродом-щеткой при высокоскоростной обработке с единым управляющим параметром по поддержанию времени протекания импульсного режима с обеспечением расчетного расстояния между электродами по сигналам обратной связи.
3. Разработана математическая модель контактного комбинированного размерного формообразования поверхности изделия непрофилированным электродом-щеткой учитывающая внутренние связи между механическими и электрическими факторами и возможность оптимизации воздействий, свойственных методу комбинированной обработки электродом-щеткой для повышения технологических показателей процесса.
4. Разработана методология проектирования средств технологического оснащения, включающего способы и режимы обработки, оборудование и инструменты для контактной комбинированной размерной высокоскоростной обработки непрофилиро-ванным электродом-щеткой.
Литература
1.Справочник технолога-машиностроителя :в 2т. Т.1 /под ред.А.Г. Суслова М.: Машиностроение, 2001. 944 с.
2.Смоленцев В. П. Изготовление инструмента непрофилированным электродом. М.: Машиностроение, 1967.160 с.
3.Зайцев А. Н. Принципы создания интегрированных операций физико - химической обработки скульптурных поверхностей деталей машин / А. Н. Зайцев // Оп-
тимизация технологических процессов по критериям
прочности: межвуз. темат. науч. сб. Уфа, УАИ, 1989.С.17-21
4.Обработка деталей проволочным электродом -щеткой / В. П. Смоленцев, З. Б. Садыков, В. П. Яшин // Бюллетень ТатЦНТИ, №236-78, Казань. 1978. 3 с.
5. Смоленцев В. П. Обработка нежестким электродом / В.П. Смоленцев, В. Ю. Черепанов, О. Н. Кириллов // Пути повышения качества и надежности инструмента:
3-я науч.-техн. конф, Барнаул, АлтПИ им. И. И. Ползуно-ва, 1989. С. 67.
6.Ушомирская Л. А. Опыт электроконтактной обработки металлов. Л.: ЛДНТП, 1979. 22с.
7. Кириллов О.Н. Моделирование процесса взаимодействия непрофилированного нежесткого электрода
Воронежский государственный технический университет
инструмента с объектом обработки/ О.Н. Кириллов // Фундаментальные и прикладные проблемы техники и технологии. Орел. 2010. № 5. С. 31-34.
8.Кириллов О.Н. Обработка чугунных деталей электродом-щеткой / О. Н. Кириллов // Нетрадиционные технологии машиностроения и приборостроения: межвуз. сб. науч. тр. Воронеж, ВГТУ, 2002. Вып. 5. С.125-131.
9. Кириллов О. Н. Применение электрода - щетки в машиностроении / О. Н. Кириллов // Гибкоструктурные нетрадиционные технологии в машиностроении и приборостроении: сб. науч. тр. Воронеж, ВГТУ, 1996. С. 72 -76.
MECHANISM OF CONTACT COMBINED DIMENSIONAL HIGH-SPEED TREATMENT BY A NON-PROFILE ELECTRODE O N. Kirillov
The mechanism of contact combined dimensional high-speed treatment by a non-profile electrode- brush is considered in this article, the experimental investigations of the method of treatment are presented
Key words: mechanism, universal, pulse regime, cleaning treatment, electrode-brush
