CC BY
82
УДК 621.9.047
МОДЕЛИРОВАНИЕ ПРОЦЕССА МАССОВЫНОСА ПРИ МНОГОЭЛЕКТРОДНОЙ
ОБРАБОТКЕ
Ю.В. Шаров, В.П. Смоленцев, И.И. Коптев, И.Г. Дроздов
В работе приведены физическая и математическая модели процесса массовыноса для многоэлектродной электроэрозионной обработки. Результаты моделирования позволяют уточнить технологические режимы электроэрозионной прошивки
Ключевые слова: моделирование, массовынос, многоэлектродная обработка, режимы, технология
Введение
При групповой электроэрозионной обработке глубоких отверстий малого диаметра требуется применять профильные инструменты, содержащие до тысячи близко расположенных элементов. Диаметр отверстий в фильтрах тонкой очистки топлив может составлять от сотых до десятых долей миллиметра, шаг между их осями близок к 1,5 - 2,0 диаметрам. Попытки изготовить инструменты для такой операции оказались неудачными, т.к. соединение близко расположенных трубок в единую деталь оказалось весьма трудоемким, а конструкция инструмента не жесткой, что не обеспечивало требуемой точности детали (допуски на диаметр отверстий и шаг между ними не превышали 50 мкм).
В [1] предложен способ изготовления многоэлектродного инструмента
непрофилированным проволочным электродом, что позволяет обеспечить высокую жесткость инструмента при электроэрозионной прошивки отверстий. Но такие электроды имеют прямоугольное сечение, в них отсутствуют каналы для подачи рабочей среды в зону обработки, а вращение электродов в цельном инструменте не осуществимо.
В [2] доказано, что за счет подбора режимов возможно получить отверстия малого сечения с формой, близкой к круглой. Однако возникли сложности с выносом продуктов обработки, т. к. подача рабочей среды в зону действия разрядов и вынос загрязненной жидкости происходит через одни и те же каналы между боковой поверхностью электродов и стенками обработанных каналов в заготовке при встречных потоках. Это резко снижает скорость прошивки (по [3] до 35 - 40 раз), поэтому раскрытие процесса массовыноса открывает возможность интенсифицировать процесс обработки, особенно, в случае одновременного использования большого количества электродов. В
Шаров Юрий Владимирович тел.8 910 732 95 70 Смоленцев Владислав Павлович профессор, тел. 8 903 655 99 70
ВГТУ, соискатель,
Коптев Иван Иванович 8 910 241 12 45
Дроздов Игорь Г еннадьевич - ИМАТ ВГТУ. техн. наук, профессор, тел. 8 910 732 95 70
ВГТУ, д-р техн. наук, ВГТУ, аспирант, тел.
работе [4] показано, что электроэрозионный метод позволяет заметно расширить технологические возможности производства, особенно в авиационной и космической отрасли, где имеются потребности в фильтрах для очистки топлив, масел, охлаждающих сред.
Механизм массовыноса продуктов обработки Подача рабочей среды в зону обработки возможна, если имеются каналы, достаточные для протока среды. Тогда возможно управление подводом свежей жидкости, в основном, за счет создания внешнего давления, которое может достигать 100 и более МПа.
Р1
© 6
7_
Ят
в
б в
директор, д-р
Рис. 1. Схема массовыноса продуктов обработки
Р1 - давление жидкости на входе в боковой межэлектродный зазор (Бб); Р2 - давление на продукты обработки после выхода из торцевого зазора (Бт); Р3 -давление продуктов обработки на выходе из зазора Бб.
1 - свежая жидкость (с минимальным загрязнением продуктами обработки); 2 - твердые частицы из
материалов электрода 4 и заготовки 5; 3 - газообразные продукты обработки; 6 - вибрация электрода; 7 - подача электрода 4. а - б - поверхность электрода 4 со стороны подачи жидкости 1; б - в - рабочий торец электрода 4; в -г - поверхность электрода 4 со стороны выхода продуктов обработки (смесь 1; 2; 3)
В рассматриваемой технологической схеме (рис. 1) через те же каналы происходит удаление продуктов обработки и части жидкости. Объем этих составляющих (жидкость, газы, твердые частицы,
коллоидные соединения и др.) может значительно превышать объем исходного продукта и для продолжения процесса прошивки вынужден занять основную часть каналов веществами, удаляемыми из зоны обработки. Учитывая малую площадь межэлектродного пространства, требуется найти способы интенсификации процессов массообмена через боковые зазоры. Для этой цели при отсутствии возможности вращения электродов остается применение управляемой вибрации инструмента с требуемой частотой и амплитудой перемещения вдоль оси инструмента.
Массовынос (рис. 1) зависит от давления Р^оступающей через участок «а - б» жидкости 1, интенсивности заполнения на участке «б - в» жидкости 1 твердыми продуктами 2 эрозии в зоне обработки «б - в», газообразными веществами 3 (пары жидкости, газы от разложения воды, горения материалов 4;5 и др.). Кроме того, по мере протекания эрозионного процесса на участке «б - в» возникают стохостикачески возникающие разряды, вызывающие импульсы давления и увеличение его до Р2 (в точке «в»), которое далее снижается в направлении от «в» к «г» до Р3 (но не ниже РД На участке «в - г» может наблюдаться полное перекрытие бокового зазора Бб газами (3 на рис. 1), после чего эрозионный процесс удаления с заготовки 5 материала на участке «б - в» может полностью прекратиться, а торцевой зазор (Бт) снизиться до контакта между электродом 4 и заготовкой 5. Если имеется вибрация 6 (рис. 1), то рабочая подача 7 электрода 4 может возобновиться, появляется торцевой зазор Бт и сформируются электрические разряды, обеспечивающие съем материала с заготовки 5 и образование продуктов обработки 2; 3 в жидкости 1. Вибрация 6 позволяет перевести силы торможения струи на участке «в - г» от состояния с коэффициентом трения покоя в движение, т.е. возобновится массовынос из бокового зазора. По [5] при наличии движения контактных тел (в нашем случае газового пузыря относительно поверхностей электрода 4 и заготовки 5 на участке «в - г» (рис. 1)) этот коэффициент может снижаться в несколько раз. В [5] рассмотрено влияние вибраций на изменение коэффициента трения твердых тел, что можно считать аналогичным рассматриваемому случаю. Предлагаемые в [3] режимы вибрации инструмента базируются на характеристиках сетевого тока, где имеется фиксированная частота (50 Гц). Используется так же удвоенная частота. В большинстве случаев эти режимы не позволяют эффективно удалять продукты обработки из рабочей зоны, что усложняет изготовление глубоких каналов.
На рис. 2 показано изменение силы сопротивления при перемещении инструмента в обработанном канале за счет его вибрации.
После начала перемещения инструмента под действием вибрации сила трения покоя (1 на рис. 2) резко (кривая «а - б») снижается до границы 2, где происходит изменение направления вибрационного
движения инструмента и интенсивно возрастает сопротивление (участок «б - в») движению. Это может быть результатом воздействия силы подачи инструмента или насосного эффекта. Далее (участок «в - г») сопротивление снижается до величины соответствующей силе трения покоя, а далее -движения.
Рис. 2. Изменение сопротивления движению инструмента за счет его вибрации с частотой 50 Г ц, при амплитуде 0,15мм.
1 - сила трения покоя; 2 - сила трения движения
Из рис. 2 следует, что вибрация может как ускорять вынос продуктов обработки так и усложнять условия их эвакуации, что способно нарушить массовынос и протекание процесса прошивки глубоких отверстий.
В [5] приведены сведения о превышении силы трения покоя над силой трения скольжения до 3 - 4 раз, что подтверждает правомерность зависимости на рис. 2.
Рис. 3. Изменение диаметра отверстия 0 0,5±0,05 в форсунке по длине канала.
1 - продольное сечение отверстия; 2 - поперечное сечение. А; Б - границы полей допусков
В процессе электроэрозионной обработки изменяется собственная частота колебаний технологической системы, поэтому частота вибраций инструмента должна постоянно подстраиваться к системе с учетом ее текущего состояния. Только в этом случае можно обеспечить
интенсивный массовынос продуктов обработки по всей глубине прошивки отверстия. На рис. 1 стрелками показан возможный путь движения жидкости.
Измерения отверстий в форсунках (рис. 3) показывают, что у всех из них наблюдается незначительная эллипсность, т.е. имеет место различное сопротивление течению рабочей среды в пределах кольцевого сечения между стенками отверстия в заготовке (5 на рис. 1) и электродом 4. Следовательно, боковой зазор (Бб) будет различным по сечению и по той стороне сечения, где зазор больше. Должны устремиться на вынос из торцевой части электрода продукты эрозионного процесса. Анализ рисунка 3 показывает, что при измерении отверстий во взаимно перпендикулярных осях стабильно образуется местный увеличенный зазор, где сопротивление потоку жидкости будет ниже. Это подтверждает правомерность механизма течения рабочей среды, принятого на рисунке 1.
Расчет параметров течения рабочей среды через зазоры
В [3] рекомендуется использовать для прошивки высокие (до 100 и более МПа) давления. Такие рекомендации неправомерно распространять на многоэлектродные инструменты без внутренних отверстий для подачи жидкости.
В работе приведены результаты физического и математического моделирования электроэрозионной многоэлектродной прошивки глубоких отверстий малого диаметра, что характерно для фильтров тонкой очистки горючих смесей тепловых двигателей.
Из рис. 1 видно, что повышенное давление в точке «г» будет тормозить течение через боковой зазор на участке «в - г». Поэтому давление Р1 необходимо рассчитывать из условия преодоления линейных потерь в пазах инструмента на их длине «L», местных потерь в местах поворота потока (выход из пазов, переход в зазоры Бт; 8б и др.). Очевидно, что на этот показатель влияют импульсы при обработке, что должно быть учтено коэффициентом К1 (К1=1,5 - 1,7). В
рассматриваемом случае поток можно считать ламинарным, т.к. по [6] при малых зазорах турбулизация начинается на глубине более 40 диаметров, что выходит за приделы изучаемых нами отверстий. Тогда линейные коэффициенты гидравлического сопротивления (X) можно принять постоянными.
P1 = K 1(1 • L + n v ), (1)
где n - количество местных сопротивлений; Q -коэффициент местных потерь (справочный материал).
Если не учитывать загрязняющих частиц в жидкости на выходе в зазор 8б (рис. 1), то давление Р1 на участке «а - б» можно считать постоянным. Тогда на участке «б - в» давление будет нарастать от Pi до Р2.
В [7] приведены расчетные зависимости для
оценки дополнительного давления (Р.. , МПа),
возникающего за счет разрядов при электроэрозионной обработке.
Р~ = 9,8-104(0,15671 - +1), (2)
где П - безразмерный параметр, учитывающий расстояние до фронта ударной волны.
Учитывая малую величину зазора 8т (рис. 1) можно воспользоваться эмпирической формулой:
(3)
3 N
Bd = 9,8 -104 (7^——- + P1),
где N - мощность единичного импульса; г1 -радиус газового пузыря, возникшего в результате импульса. В первом приближении г1=Бт.
В [7] приведены результаты численных
расчетов для минимальных значений В. и Рй при
энергии импульса 0,54 Дж. В. =1,725 МПа, Рй=1,42 МПа.
На участке «в - г» (рис. 1) давление снижается от Р2 до Рз (Рз, как правило, близко к Р1). Если принять, что подводимый поток Р1 разделен с удаляемым (давление Р3), то можно установить скорость потока, необходимую для очистки зоны обработки («б - в» на рис. 1) от загрязнений.
При скорости потока в точке «в» У1 и боковом зазоре 8б (приближенно принимаем 86=сопб1) скорость течения струи с одной цепочкой газовых пузырьков можно оценить по зависимости [8].
8f о k 2 k 3
g • kpi
где fm - коэффициент внешнего трения Из [5]
f о
2,4K o(1 -1 2)
A 1
R + K 4 + 0,2a (-У' h 2
(4)
(5)
Здесь К0 - коэффициент, зависящий от геометрии взаимодействующих тел; М -коэффициент Пуансона; Е - модуль упругости контактного материала (пузырь имеет внутреннее давление, которое по [9] достигает более 0,1 МПа и его можно рассматривать как твердое тело); Я -
приведенный радиус кривизны профиля; к -величина внедрения контактных тел; К4 -
фрикционная константа, учитывает профиль контактных участков; а - коэффициент гистерезисных потерь.
Численные значения коэффициентов приведены в [5].
В формуле (4) К2 - экспериментальный коэффициент (см. [8]); К3 - коэффициент адгезии, учитывает соотношение сил адгезии сферической частицы относительно вытянутой (К3>4); у -плотность рабочей среды на выходе из торцевого зазора. По [1] у < 0,3 г/см3; Кл - коэффициент лобового сопротивления пузырька. Величина Кл значительно меньше коэффициента трения между пузырьком газа и стенками отверстия, поэтому в
нашем случае может не учитываться. d - диаметр газового пузырька. Приближенно можно считать d =
Бб.
Тогда формулу (4) можно представить в виде
8 f д K 2 K 3
По [8] средняя скорость, необходимая для удаления частиц с размерами более 50 мкм, составляет не менее 3 - 5 м/с.
По [5] сила трения (Бт) при насыщенном контакте
F,
0,4і
1-М
AX
2
0,125aA Xu-lvEh ^ , (6)
глубины прошивки) (уравнение (2), (3))
лК (1 -М 2)
где 4 - среднее относительное сближение контактных тел; А - фактическая площадь касания при статике; и - показатель формы опорной кривой профиля поверхности; Итах - наибольшее сближение контактных тел с учетом их шероховатости и упругих свойств.
Давление в точке «г» (Р2) должно быть не менее ¥т
Р2 > ?т , (7)
По [6] ¥т = 0,3 - 1,0 МПа (в зависимости от т.е. давление Р. и Рй должны обеспечивать стабильный массовынос продуктов обработки. Однако с учетам коэффициента полезного использования энергии (он теоретически не может быть более 0,41), случайности положения вектора действия разряда, состояния рабочей среды, геометрии межэлектродного пространства реальное давление в начале выноса продуктов обработки (точка «в» на рис. 1) значительно превышает расчетные величины (до 2 - 3 раз). Эксперименты показали, что при глубине отверстий более 15 диаметров давление Р2=4 - 10 МПа. Эта величина возрастает по мере углубления отверстия и при увеличении числа электродов в инструменте.
Заключение
1. Установлены новые закономерности процесса выноса продуктов электроэрозионной
обработки, позволившие резко (до 10 раз) снизить давление подаваемой рабочей среды на входе и этот показатель на выходе жидкости из боковых зазоров.
2. Математическое моделирование процесса массовыноса позволило получить
удовлетворительные количественные показатели
для параметров течения рабочей среды, что дает возможность качественно выполнять оценочные расчеты величины давления в зоне выноса
продуктов обработки. Такие сведения позволяют разработать адаптивный технологический процесс с оптимальным регулированием режимов по мере углубления многоэлектродного инструмента в заготовку.
Литература
1. Электрофизические и электрохимические методы обработки материалов. В 2 т. Т 1 / Под ред. В.П. Смоленцева. М: Высш. шк., 1983 - 247 с.
2. Смоленцев В. П. Изготовление инструмента непрофилированным электродом. М: Машиностроение, 1967 - 160с.
3. Бойко А.Ф. Эффективная технология и оборудование для электроэрозионной прошивки прецизионных микроотверстий. Белгород: Изд-во БГТУ, 2010, 314 с.
4. Методология проектирования технологических процессов обработки наукоемких изделий с наложением электрического поля [Текст] / В. П. Смоленцев, А. А. Болдырев, И. И. Коптев, В. Г. Грицюк // Вестник Воронежского государственного технического университета. - Т. 8. - № 11. - 2012. - С. 42-46.
5. Основы трибологии / Под ред. А.В. Чичинадзе. М: Машиностроение, 2001 - 664 с.
6. Справочник металлиста. В 5 т. Т1 / Под ред. С. А. Чернавского и Р.Ф. Рещикова. М: Машиностроение, 1976 - 768 с.
7. Яшик П.С. Исследование механизма эрозионной обработки / П.С. Яшик, В.П. Смоленцев. Электронная обработка материалов, 1974, № 3 - С. 32 - 36.
8. Левитова О.Н. Повышение эффективности очистки каналов систем ГТД на основе моделирования условий удаления технологических загрязнений / О. Н. Левитова, А. Н. Семенов. Вестник РГАТУ им. П. А. Соловьева. Рыбинск: РГАТУ, 2012, №2 - С. 119 - 126.
9. Гегузин Я.Е. Пузыри. М.: Наука, 1985 - 176 с.
Воронежский государственный технический университет
Институт машиностроения и аэрокосмической техники Воронежского государственного технического университета
MODELING OF THE MATERIAL REMOVAL MECHANIZM DURING MULTIELECTRODE
MACHINING
Yu.V. Sharov, V.P. Smolentsev, I.I. Koptev, I.G. Drozdov
The work specifies physical and mathematical models of the material removal mechanism process for multielectrode electrical discharge machining. The results of such modeling allow to determine technological regimes of the electrical discharge punching
Key words: modeling, materials removal mechanism, multielectrode machining, regimes, technology
