CC BY
37
ТЕХНОЛОГИЯ И ОБОРУДОВАНИЕ МЕХАНИЧЕСКОЙ И ФИЗИКО-ТЕХНИЧЕСКОЙ ОБРАБОТКИ
УДК 621.9.048
МОДЕЛИРОВАНИЕ ЭВАКУАЦИИ ПРОДУКТОВ ЭРОЗИИ ПРИ ЭЛЕКТРОЭРОЗИОННОЙ ОБРАБОТКЕ ОТВЕРСТИЙ С ВРАЩЕНИЕМ ЭЛЕКТРОДА-ИНСТРУМЕНТА
Т.З. Нгуен
Настоящая работа посвящена теоретическому и экспериментальному исследованию эвакуации продуктов эрозии при электроэрозионной обработке глубоких отверстий. Проведено математическое моделирование гидродинамических процессов в межэлектродном промежутке на основе численного решения уравнений движения несжимаемой вязкой жидкости, позволяющее оценить влияние формы и размеров электродов-инструментов и их вращения на эвакуацию продуктов обработки из межэлектродного пространства. Установлено, что использование электродов-инструментов с некруглым поперечным сечением позволяет ускорить улучшить эвакуацию продуктов обработки. Проведено экспериментальное исследование процесса электроэрозионного прошивания глубоких микроотверстий, дано сопоставление результатов моделирования с экспериментальными данными.
Ключевые слова: микроотверстие, электроэрозионная обработка, вращающийся электрод-инструмент, продукты обработки, моделирование.
В последние годы наблюдается всё более широкое использование микроотверстий в различных отраслях хозяйства, промышленности и других сферах деятельности человека. Например, современный газотурбинный двигатель (ГТД) состоит из множества деталей из жаропрочных сплавов с отверстиями малых диаметров от 0,3 мм до 2 мм: форсунки, газосборники, трубы жаровые, лопатки, крепёжные элементы и т.д [1]. Традиционными методами обработки не всегда представляется возможным получить требуемые точность формы и размеров и обеспечить высокое микроотверстие. Электроэрозионная обработка (ЭЭО) на сегодняшний момент является одним из наиболее перспективных и широко применяемых методов для обработки отверстий малых диаметров в труднообрабатываемых материалах. Однако с увеличением глубины обработки микроотверстий образующиеся в процессе частицы разряда не могут быть вовремя удалены
406
из рабочего зазора. Это может вызвать локализованный разряд или даже короткое замыкание, что приводит к сложной механической обработке [4 - 7].
Производительность процесса ЭЭО при неизменных условиях обработки напрямую зависит от интенсивности эвакуации продуктов эрозии из МЭП. Так как при обработке микроотверстий организовать прокачку рабочей жидкости через МЭП весьма сложно, то эвакуация осуществляется естественным путем, в основе которого лежит электрический разряд. При обработке микроотверстий после электрического разряда по торцу ЭИ парогазовые пузыри практически сразу попадают в вертикальный боковой межэлектродный зазор, где поднимаются вверх подъемной архимедовой силой. При этом движущиеся вверх парогазовые пузырьки увлекают с собой РЖ и продукты эрозии, создавая, поток. Так как твердые продукты в исследуемом процессе представляют собой микрочастицы размером от нескольких микрометров до нескольких нанометров, то в основе механизма их вывода из промежутка лежит флотационный способ, когда микрочастицы захватываются стенкой газового пузыря. При электроэрозионной микрообработке (ЭЭМО) естественная эвакуация продуктов эрозии из МЭП недостаточна для стабильного протекания процесса. Для того чтобы повысить технологические характеристики ЭЭМО глубоких микроотверстий необходимо улучшить эффективность удаления продуктов обработки из узкого межэлектродного зазора. В настоящее время разработано много методов, позволяющих повысить эффективность удаления продуктов обработки: прокачка рабочей жидкости [8 - 10], дискретное перемещение электрода-инструмента [11], ультразвуковая вибрация электрода [12, 13], вращение электрода [7, 14, 15] и их различные комбинации [3 - 6].
При использовании метода прокачки рабочей жидкости (РЖ) требуется применения трубчатых ЭИ [8], через которые прокачивается РЖ под высоким давлением. Однако при обработке отверстий глубоких малого диаметра (условно относят отверстия с диаметром менее 0.2 мм) возникает проблема изготовления трубчатых электродов.
Положительное влияние ультразвуковых колебаний обусловлено следующими факторами (причинами): уменьшение диаметра парогазовых пузырей, увеличением количества и скорости движения их в боковом МЭП [12]. Однако, применение вибрации ЭИ не всегда является целесообразным. Например, при прошивке глубоких отверстий (до 5-8 диаметров), когда эвакуация продуктов эрозии из МЭП затруднена, вибрация может снижать производительность, так как периодическое изменение МЭП уменьшает количество рабочих импульсов вследствие увеличения числа импульсов короткого замыкания, возникающих в фазе сближения электродов. Особенно это явление сказывается при обработке на малых МЭП, а также при больших амплитудах вибрации.
Вращающийся ЭИ является широко используемым в ЭЭМО для улучшения условия эвакуации продуктов эрозии из зоны обработки [7, 14, 15]. Самым простым ЭИ для обработки микроотверстий является электрод
цилиндрической формы. При использовании цилиндрического электрода возможно обеспечить стабильную обработку отверстий только не очень большой глубины. Вращение ЭИ позволяет использовать для обработки отверстий ЭИ с некруглым поперечным сечением [16 - 20]. Использование таких электродов позволяет увеличить объем межэлектродного пространства и тем самым существенно облегчить условия эвакуации продуктов обработки. Поэтому применение электродов с некруглым сечением (рис. 1) обеспечивает возможность (позволяет) обрабатывать микроотверстия с большим аспектным отношением.
а б в г
Рис. 1. Профили электродов-инструментов: а - цилиндрический; б - треугольный; в - прямоугольный; г - со спиральными канавками
Экспериментальное исследование влияния вращения и формы поперечного сечения на эффективность электроэрозионной обработки глубоких микроотверстий весьма затруднительно, поэтому широко используются методы математического моделирования [21 - 26]. В виду большой сложности физических процессов, протекающих при ЭЭО, при моделировании эвакуации продуктов обработки используются приближенные модели, учитывающие только наиболее значимые процессы. Поэтому результаты моделирования требуют экспериментального подтверждения.
Настоящая работа посвящена теоретико-экспериментальному исследованию ЭЭО глубоких микро отверстий с целью оценки влияния формы и размеров ЭИ и условий проведения процесса на эвакуацию продуктов обработки из межэлектродного зазора для обеспечения возможности повышения технологических показателей (производительность и точность) и качества обработанных отверстий.
В качестве математической модели для описания течения диэлектрической жидкости в межэлектродном пространстве, представляющем собой область, ограниченную дном и боковой поверхностью микро отверстия и поверхностью вращающегося ЭИ, будем использовать уравнения движения несжимаемой вязкой жидкости и уравнение неразрывности [26]:
+и .Уи]+тди+р, (1)
Р
дt
V-и = 0, (2)
где и - вектор скорости движения жидкости; р - давление; р - плотность электролита; т - динамическая вязкость рабочей жидкости; V - оператор набла; А - оператор Лапласа; ? - время; - объемная сила.
Частицы шлама в межэлектродном пространстве подвержены действию диэлектрической жидкости и их движение задается вторым законом Ньютона Уравнения движения частиц могут быть записаны в следующем виде:
Эу
тр "Э^ = + Fg + Рех^ (3)
где тр - масса частицы; V - скорость частицы; - сила сопротивления; Fg - выталкивающая сила; Бех - любая другая внешняя сила.
Сила сопротивления определяется следующим образом:
тр , \
РВ =-р (и - у) , (4)
х р
где хр - характерное время отклика частицы.
Когда относительное число Рейнольдса между частицами и жидкостью мало, как в данном случае, время отклика скорости частицы может быть записано как:
х р =Рр^р, (5)
р 18т
где рр - плотность частицы; ^ - диаметр частицы.
При обработке, частицы, образующиеся на дне отверстия, переходят в зазор между боковой поверхностью отверстия и электродом-инструментом и поднимаются вверх под действием подъемной архимедовой силы:
т. Р р-Р ... Fg = тр-g , (6)
* Р р
где g - ускорения свободного падения.
Решение уравнений математической модели (1) - (6), дополненной соответствующими начальными и граничными условиями, позволяет определить распределения гидродинамических скоростей диэлектрической жидкости и траекторий частиц шлама.
Для численного моделирования использовался программный комплекс СотБо1. На основании результатов предварительных экспериментальных исследований задались размеры микро отверстия (диаметр и глубина), а также форма и размеры ЭИ. Схема расчетной области представлена на рис. 2.
При моделировании поверхность ЭИ вращается относительно оси отверстия. Для обеспечения удовлетворительной точности решение в расчетной области формируется конечно-элементная сетка с оптимальным размером элемента сетки равным 50 мкм (рис. 3).
409
а б в
Рис. 2. Схема расчетной области: (а) цилиндрический ЭИ; б - прямоугольный ЭИ; в - треугольный ЭИ; 1 - вращающийся ЭИ;
2 - неподвижная поверхность отверстия; 3 - граничные стенки
При расчетах частота вращения электрода-инструмента принималась равной п = 3000 об/мин. На поверхности наружного цилиндра (поверхности отверстия) применено условие неподвижной границы, а на торцевых поверхностях - скольжения жидкости без трения. Заданы 100 свободных частиц, равномерно распределенных по торцевой поверхности.
а б в
Рис. 3. Сетка конечных элементов в расчетной области: а - цилиндрический ЭИ; б - прямоугольный ЭИ; в - треугольный ЭИ
Результаты моделирования показывают, что наибольшая скорость потока диэлектрической жидкости наблюдается в боковом зазоре (рис. 4). Так же наблюдается локальное увеличение скорости движения диэлектрической жидкости между боковыми поверхностями электрода-инструмента и обрабатываемого отверстия.
Результаты моделирования движения частиц в МЭП при вращении ЭИ, показали, что профильный ЭИ значительно влияет на процесса эвакуации продуктов эрозии. В частности, на рис. 5 при цилиндрических ЭИ, свободное пространство не изменяется с течением времени, следовательно, частицы движутся только в данном зазоре. На рис. 6 - 7 показаны что, при вращении прямоугольного и треугольныого ЭИ частицы движутся в свободном пространстве, которое изменяется с течением времени. Таким образом, по сравнению с цилиндрическим ЭИ, непрофильный ЭИ позволяет значительно улучшить условия эвакуации продуктов эрозии из зоны обра-
ботки через боковой зазор между ЭИ и обрабатываемой поверхностью. Предложена и реализована технология микро ЭЭО для прошивания глубоких отверстий за счет использования непрофильных ЭИ.
а
б
в
Рис. 4. Распределение модуля скорости диэлектрической жидкости при ЭЭО электродами разной формы: а - цилиндрический; б - прямоугольный; в - треугольный
б) г)
Рис. 5. Траектории частиц в МЭП при ЭЭО вращающимся цилиндрическим электродом: а - * = 20 мкс, Н = 0.5 мм; б - * = 35 мкс, Н = 1.4 мм; в - * = 43 мкс, Н = 2.5мм; г - * = 50мкс
б) г)
Рис. 6. Траектории частиц в МЭП при ЭЭО вращающимся прямоугольных электродом: а - * = 20 мкс, Н = 0.5 мм; б - * = 35 мкс, Н = 1.4 мм; в - * = 43 мкс, Н = 2.5мм; г - * = 50мкс
б) г)
Рис. 7. Траектории частиц в МЭП при ЭЭО вращающимся треугольным электродом: а - * = 20мкс, Н = 0.5 мм; б - * = 35мкс, Н = 1.4 мм; в - * = 43 мкс, Н = 2.5мм; г - * = 50мкс
Экспериментальные исследования влияния профильных ЭИ на производительность при электроэрозионной микрообработки с вращением ЭИ проводились на экспериментальной установке (рис. 8) при комнатной температуре 20±2 °С.
Рис. 8. Экспериментальная установка для ЭЭМО: 1 - приводы перемещения по оси г и х; 2 - привод вращения ЭИ; 3 - рабочий стол; 4 - цанговый патрон; 5 - ЭИ; 6 - заготовка; 7 - ванна с РЖ
Для проведения экспериментальных исследований электроэрозионной обработки использовали: в качестве заготовки - из алюминия; в качестве инструмента - медная цилиндрическая 1 мм и квадратная проволока (0,7x0,7 мм); пакеты высокочастотных импульсов с длительностью импульса в пакете ton = 2.5 мкс; амплитуда импульсов U0 = 80 В; количество импульсов в пакете N = 4 (см. рис. 8); в качестве рабочей жидкости использовался керосин. Условия, при которых проводились эксперименты, представлены в таблице.
Основные параметры ЭЭМО в алюминии
Параметры ЭЭО Значение
Ток I, А 0.5
Напряждение холостого хода Uo, В 80
Напряжение разряда Ugap, В 40
Длительность импульса ton, с 2.5
Длительность паузы toff, с 2.5
Количество импульсов в пакете N 4
В результате экспериментальных исследований были получении микро отверстия при ЭЭО с вращением ЭИ, представленные на рис. 9.
В результате проведенных исследований было показано, что производительность электроэрозионной обработки с использованием вращающихся прямоугольных ЭИ значительно выше, чем при использовании вращающихся цилиндрических ЭИ. Таким образом, использование ЭИ с некруглым поперечным сечением позволяет улучшить условия эвакуации продуктов обработки за счет увеличения объема межэлектродного пространства, заполненного диэлектрической жидкостью, уменьшения гидродинамического сопротивления.
12 3 4 5 6
К j
1 \ i
iTTTTH
-
В
1 mn
1 с
Я^Ш wm ■
Рис. 9. Продольные сечения отверстий, полученных при ЭЭО с вращением ЭИ: 1, 3, 5 - цилиндрический ЭИ; 2, 4, 6 - квадратный ЭИ;
A -1 = 2.5мин; B -1 = 5мин; C-1 = 8.5мин
Сравнение результатов моделирования и экспериментальных расчетов показало, что они достаточно хорошо согласуются.
Список литературы
1. Елисеев Ю.С., Бойцов А.Г., Крымов В.В., Хворостухин Л.А. Технология производства авиационных газотурбинных двигателей: учебное пособие для вузов. М.: Машиностроение, 2003. 512 с.
2. Hocheng H., Tsai H.Y. Advanced analysis of nontraditional machining. NY: Springer, 2013. 7 p.
3. Kibria G., Jahan M.P., Bhattacharyya B. Micro-electrical discharge machining processes. Singapore: Springer, 2019. 30 p.
4. Shabgard M.R., Gholipoor A., Baseri H. A review on recent developments in machining methods based on electrical discharge phenomena. Int. J. Adv. Manuf. Tech., 2016. Vol. 87(5-8). P. 2081-2097.
5. Raju L., Hiremath S.S. A State-of-the-art review on micro electro-discharge machining // Procedia Technology, 2016. Vol. 25. P. 1281-1288.
6. Prakash V., Kumar P., Singh P.K., Hussain M., Das A.K., Chattopadhyaya S. Micro-electrical discharge machining of difficult-to-machine materials: a review. Mech. Eng. B-J. Eng., 2019. P. I. Vol. 233(2). P. 339-370.
7. Feng G., Yang X., Chi G. Experimental and simulation study on micro hole machining in EDM with high-speed tool electrode rotation // Int. J. Adv. Manuf. Tech., 2019. Vol. 101. P. 367-375.
8. Yilmaz O., Okka M.A. Effect of single and multi-channel electrodes application on EDM fast hole drilling performance // Int. J. Adv. Manuf. Tech., 2010. Vol. 51(1-4). P. 185-194.
9. Kliuev M., Baumgart C., Buttner H., Wegener K. Flushing velocity observations and analysis during EDM drilling // Procedia CIRP, 2018. Vol. 77. P. 590-593.
10. Wegener K., Kliuev M., Baumgart C. Fluid dynamics in electrode flushing channel and electrode-workpiece gap during EDM drilling // Procedia CIRP, 2018. Vol. 68. P. 254-259.
11. Wang J., Han F., Cheng G., Zhao F. Debris and bubble movements during electrical discharge machining. International // J. Mach. Tool. Manuf., 2012. Vol. 58. P. 11-18.
12. Wansheng Z., Zhenlong W., Shichun D., Guanxin C., Hongyu W. Ultrasonic and electric discharge machining to deep and small hole on titanium alloy // J. Mater. Process. Tech., 2002. Vol. 120(1-3). P. 101-106.
13. Goiogana M., Sarasua J.A., Ramos J.M. Ultrasonic Assisted Electrical Discharge Machining for High Aspect Ratio Blind Holes // Procedia CIRP, 2018. Vol. 68(1). P. 81-85.
14. Wang C.C., Yan B.H. Blind-hole drilling of Al203/6061Al composite using rotary electro-discharge machining // J. Mater. Process. Tech., 2000. Vol. 102(1-3). P. 90-102.
15. Aliakbari E., Baseri H. Optimization of machining parameters in rotary EDM process by using the Taguchi method // Int. J. Adv. Manuf. Tech., 2012. Vol. 62(9-12). P. 1041-1053.
16. Masuzawa T., Tsukamoto J., Fujino M. Drilling of deep microholes by EDM // CIRP Annals, 1989. Vol.38(1). P. 195-198.
17. Habel M.J., Peterson L.A. Method and apparatus for fast hole electrical discharge machining // U.S. Patent No. 5614108, 1997. 9 p.
18. Li H., Wang Z., Wang Y., Liu H., Bai Y. Micro-EDM drilling of ZrB 2-SiC-graphite composite using micro sheet-cylinder tool electrode // Int. J. Adv. Manuf. Tech., 2017. Vol. 92(5-8). P. 2033-2041.
19. Wang K., Zhang Q., Zhu G., Liu Q., Huang Y. Experimental study on micro electrical discharge machining with helical electrode // Int. J. Adv. Manuf. Tech., 2017. Vol. 93(5-8). P. 2639-2645.
20. Hung J.C., Lin J.K., Yan B.H., Liu H.S., Ho P.H. Using a helical micro-tool in micro-EDM combined with ultrasonic vibration for micro-hole machining // J. Micromech. Microeng., 2006. Vol. 16(12). P. 2705-2713.
Нгуен Тхань Зием, аспирант, poguha201@yandex.ru, Россия, Тула, Тульский государственный университет
MODELING OF THE PROCESS OF EVACUATION OF DEBRIS PARTICLES DURING
ROTA TION OF ELECTROD-TOOL
T.D. Nguyen
This work is devoted to the theoretical and experimental investigation of the process of evacuation of debris particles from the interelectrode gap during electrical discharge machining of deep micro holes. Mathematical modeling of hydrodynamic processes in the inte-relectrode gap is carried out on the basis of numerical solution of the equations of motion of incompressible viscous fluid, which allows to estimate the influence of the shape and size of the tool-electrodes and their rotation on the evacuation of debris particles from the interelec-trode gap. It was found that the use of tool-electrodes with a non-circular cross-section allows to accelerate the evacuation of debris particles. An experimental study of the process of electrical discharge machining of deep micro holes is carried out, the comparison of simulation results with experimental data is given.
Key words: micro-hole, electrical discharge machining, rotational tool electrode, debris particles, simulation.
Nguyen Thanh Diem, postgraduate, _poguha201@yandex.ru, Russia, Tula, Tula State University
