CC BY
9
ТЕХНОЛОГИЯ И ОБОРУДОВАНИЕ МЕХАНИЧЕСКОЙ И ФИЗИКО-ТЕХНИЧЕСКОЙ ОБРАБОТКИ
УДК 621.9.048.4
DOI: 10.24412/2071-6168-2022-8-229-234
НАЗНАЧЕНИЕ РАЦИОНАЛЬНЫХ РЕЖИМОВ ЭЛЕКТРОЭРОЗИОННОЙ ОБРАБОТКИ НА ОСНОВЕ ИССЛЕДОВАНИЙ ПАРАМЕТРОВ ЭРОЗИОННЫХ ЛУНОК И МОДЕЛИРОВАНИЯ ТЕПЛОВЫХ ПРОЦЕССОВ
И.Б. Ставицкий, А.Д. Богатырев
Работа посвящена определению рациональных режимов электроэрозионной обработки на основе численного моделирования тепловых процессов. На основании экспериментальных данных получено распределение энергии импульса между электродами и рабочей средой, что позволило решить прямую тепловую задачу о перемещении границы фазового перемещения материала и определить рациональные режимы обработки, геометрические параметры лунки и, как следствие, достижимую производительность процесса электроэрозионной обработки и шероховатость получаемой поверхности.
Ключевые слова: электроэрозионная обработка, тепловые процессы, энергия импульса, численное моделирование.
В настоящее время электроэрозионная обработка (ЭЭО) все более широко применяется в различных производствах. Достигаемые параметры точности и качества поверхности, а также возможность обработки сложнопрофильных деталей, поверхностей очень малого размера из любых электропроводных материалов, в том числе в закаленном состоянии, отсутствие силового действия инструмента на заготовку являются преимуществом данного метода. Однако возможности ЭЭО все еще реализуются далеко не полностью. Это связано со сложностью назначения рациональных режимов обработки, особенно для новых материалов. В результате обработка часто осуществляется с меньшей производительностью. Аналитический расчет режимов по создаваемым моделям ЭЭО весьма затруднен, поэтому для их назначения, как правило, используют эмпирические зависимости. При этом такие зависимости разработаны только для ограниченной группы материалов. Получение таких зависимостей — это результат проведения большого количества экспериментов, что требует больших временных затрат. Еще одним недостатком эмпирических формул является то, что они не учитывают происходящие в межэлектродном промежутке физические процессы, поэтому по ним далеко не всегда можно назначить оптимальные параметры импульсов, обеспечивающие максимально возможную производительность процесса формообразования. Математическое моделирование может стать альтернативным методом назначения режимов ЭЭО. Оно имеет существенное преимущество - учет свойств материала и нетребовательность к большому количеству экспериментов.
Производительность ЭЭО определяется объемом Ул лунки, образующейся на электроде-заготовке в результате единичного электрического разряда, частотой этих разрядов и рядом других факторов, например, эффективностью эвакуации продуктов эрозии из межэлектродного промежутка. В свою очередь объем Ул лунки и ее форма влияют на шероховатость получаемой поверхности. Поэтому для достижения максимальной производительности ЭЭО назначаемые режимы обработки должны обеспечивать получение лунок определенного объема,
229
определяемого заданной шероховатостью поверхности, с максимально возможной частотой. Таким образом, для назначения рациональных режимов обработки необходимо установление взаимосвязи энергетических параметров ЭЭО с объемом получаемой лунки.
Поскольку по большей части обработка сопряжена с тепловыми процессами нагрева и плавления материала, в качестве модели можно использовать тепловую задачу о перемещении границы фазового превращения материала - задачу Стефана [1-3]. Она позволяет определить положение п границы раздела фаз между твердой и жидкой фазами материала (глубина про-плавления материала) исходя из его физических свойств и при действии на него теплового потока плотностью q в течение времени ^ (рис. 1).
1
Рис. 1. Схема для определения границы фазового превращения материала: 1 - жидкая фаза; 2 - твердая фаза
Задавая плотность теплового потока и время его действия, можно определить глубину проплавления материала. Она является глубиной лунки при условии, что расплавленный материал полностью из нее выбрасывается.
Длительность действия теплового потока можно принять равной длительности (И импульса тока. Плотность q теплового потока зависит от энергии Жи импульса, которая распределяется между анодом (ЖА), катодом (Жк), межэлектродным промежутком, где тратится на образование и поддержание в нём канала разряда, нагрев и испарение рабочей жидкости (Жмэп), а также расходуется на излучение и другие потери (Жп) (рис. 2):
Жи = ЖА +ЖК +ЖМЭП+ЖП. (1)
(-) катод
Геиератор импульсов ггИ — --
/ /
(+) анод
Рис. 2. Распределение энергии импульса
В связи с этим важно знать энергию, поступающую непосредственно на электрод-заготовку (ЖА или Жк в зависимости от полярности обработки). Именно ее значение является входным параметром для расчета геометрических параметров лунки и связано с плотностью q теплового потока. В известных исследованиях приводятся различные данные по распределению энергии Жи импульса: 8-45% на каждый электрод [4-6]. Из теории ЭЭО известно, что распределение энергии импульса зависит, прежде всего, от его длительности [7, 8], что объясняет такой разброс приведенных значений. В настоящее время точной корреляции между энергией Жи импульса, задаваемого генератором, и плотностью q теплового потока, действующего на каждый электрод, не установлено. Поэтому для определения рациональных режимов ЭЭО на основе решения тепловой задачи о перемещении границы фазового превращения материала необходимо знать плотность q теплового потока, действующего на электрод-заготовку. В противном случае решение описываемой задачи позволяет лишь оценить обрабатываемость материала электроэрозионным методом и приближенно назначить рациональные режимы обработки, но при этом существенно сократить число экспериментов для установления эмпирических зависимостей по определению режимов ЭЭО.
Определить плотность q теплового потока, действующего на электрод-заготовку, можно исходя из решения обратной тепловой задачи - по известным глубине п проплавления материала и времени ^ действия источника теплоты. Если за глубину п проплавления принять глубину Нп лунки, полученной после электрического разряда, а за время ^ действия источника теплоты - длительность импульса (И тока, то можно вычислить плотность q, действующую на соответствующий электрод. Кроме того, становится возможным определить составляющие доли Ж а и Жк энергии Жи импульса, выделяемые на аноде и катоде, а также использовать прямую тепловую задачу для установления глубины п проплавления материала и распределения температуры вглубь электрода при единичном разряде.
Чтобы измерить глубину лунки, был собран стенд на основе профилографа МйШюуо SJ-210. В качестве выходных данных формируется отчет об измерении, содержащий профило-грамму лунки, который передается на компьютер. Схема стенда представлена на рис. 3.
7 3
1 - микроскоп; 2 - профилограф; 3 - измеряемая лунка; 4 - направление движения иглы профилографа; 5 - микрометрический стол
Профилограмма лунки позволяет с достаточно высокой точностью определить ее геометрические параметры. Позиционирование иглы профилографа по центру лунки осуществляется визуально с помощью микроскопа МИР-2 и микрометрического стола, на котором установлен образец с полученными лунками. Данные с профилографа экспортируются на компьютер и могут быть использованы для любой дальнейшей обработки.
Лунки получали методом групповых лунок [9] на полированной поверхности образцов из исследуемых материалов, используя координатно-прошивочный станок. Такой метод позволяет получить отдельные лунки в реальных условиях обработки.
Для определения плотности теплового потока, действующего на электрод-заготовку в единичном электрическом разряде, использовали специально разработанную на кафедре «Инструментальная техника и технологии» МГТУ им. Н.Э. Баумана программу EDM calculator. Программа позволяет решать обратную тепловую задачу о перемещении границы фазового превращения материала численными методами и, в том числе, определять плотность q теплового потока, необходимую для образования лунки заданной глубины за время ts действия импульса.
Зная q, можно рассчитать энергию импульса, вызывающую образование лунки заданной глубины:
W = q S tn , (2)
где S - площадь поперечного сечения канала разряда.
Площадь S поперечного сечения канала разряда определяется его радиусом rs и зависит от характеристик рабочей жидкости, длительности импульса и тока. Данная величина не подлежит аналитическому расчету в настоящее время, однако существуют эмпирические зависимости, полученные при наблюдении изменения канала разряда в различных условиях. В исследованиях часто используют эквивалентный rse радиус подвода теплоты, который не изменяется с течением времени [10-11], мкм:
rse = 2,04 /°<43С44 , (3)
где I - ток, А.
Коэффициент кэ , который определяет долю энергии W3 приходящей на электрод от общей энергии импульса, можно определить как отношение энергий, %:
= — 100. (4)
э w„ w
231
В табл.1 представлены результаты проведенных по описанной методике исследований с использованием в качестве эдектрода-заготовки стали ХВГ с твердостью 57,5 HRC при ее обработке на координатно-прошивочном станке Sodick AG40L в диэлектрической углеводородной жидкости Sodick VITOL 2 при обратной полярности (заготовка - катод).
Таблица 1
Результаты вычисления коэффициента кэ для различных режимов обработки_
Параметр Режим
1 2 3 4 5 6
W„, мДж 705,96 554,13 228,15 130,41 29,16 1,20
/и, мкс 296 262 169 126 22 7
кя, % 36,02 34,90 31,22 29,14 22,85 7,65
Анализируя полученные результаты можно сделать следующие выводы.
С уменьшением длительности импульса снижается доля энергии, поступающей на катод, поэтому обработка при обратной полярности с короткими импульсами и большой энергией будет менее эффективна, чем работа с длинными импульсами и малой энергией. Такие данные хорошо согласуются с общеизвестными фактами - при коротком импульсе из-за своей небольшой массы электроны быстрее достигают анода, вызывая его нагрев и плавление, а при длительном импульсе ионы, обладающие большей массой, и, следовательно, большей кинетической энергией, вызывают больший нагрев и плавление катода, чем действие электронов на аноде.
Полученное распределение энергии импульса, подаваемого с генератора станка, позволяет определить энергию, поступающую непосредственно на электрод-заготовку, и соответствующую плотность теплового потока. Таким образом, используя эти данные, можно решить прямую тепловую задачу о перемещении границы фазового перемещения материала и определить рациональные режимы обработки, например, эффективную длительность импульса [2], геометрические параметры лунки и, как следствие, достижимую производительность процесса электроэрозионной обработки и шероховатость получаемой поверхности. Кроме того, возможно определить распределение температуры вглубь заготовки и, тем самым, глубину слоя структурных изменений материала. Для решения тепловой задачи можно использовать программу Erosion [1, 2]. Предлагаемая методика, основанная на моделировании тепловых процессов, позволяет проводить расчеты рациональных режимов электроэрозионной обработки. Однако следует отметить, что принятые в данной методике допущения, например, о полном удалении расплавленного материала с поверхности заготовки, могут вносить некоторую погрешность. Для более точных расчетов требуются дополнительные исследования по определению условий полного удаления расплавленного материала, образующегося в результате каждого электрического разряда.
Список литературы
1. Ставицкий И.Б. Определение рациональных режимов электроэрозионной обработки на основе решения тепловой задачи о перемещении границы фазового превращения материала // Вестник МГТУ. Спец. выпуск «Энергетическое и транспортное машиностроение». 2011. C.164-171.
2. Ставицкий И.Б., Шевченко А.С. Определение параметров импульсов электроэрозионной обработки титана на основе решения тепловой задачи Стефана // Инженерный журнал: наука и инновации, МГТУ им. Н.Э. Баумана. 2017. №3(63). C.1-12.
3. Золотых Б.Н. Основные вопросы теории электрической эрозии в импульсном разряде в жидкой диэлектрической среде: Дисс. ... д-ра техн. наук. М., 1967.
4. Osswald K., Schneider S., Hensgen L., Klink A., Klocke F. Experimental investigation of energy distribution in continuous sinking EDM // CIRP Journal of Manufacturing Science and Technology. 2017. V.19. P.36-43.
5. Xia H., Hashimoto H., Kunieda M., Nishiwaki N. Measurement of Energy Distribution in Continuous EDM Process // Journal of the Japan Society for Precision Engineering. 1996. V.62(8). P.1141-1145.
6. Zahiruddin M., Kunieda M. Energy Distribution Ratio into Micro EDM Electrodes // Journal of Advanced Mechanical Design, Systems, and Manufacturing. 2010. V.4(6). P.1095-1106.
7. Золотых Б.Н. Физические основы электроискровой обработки металлов. М.: Госте-хиздат, 1953.
8. Singh H. Experimental study of distribution of energy during EDM process for utilization in thermal models // International Journal of Heat and Mass Transfer. 2012. V.55(19-20). P.5053-5064.
9. Ставицкий И.Б., Малевский Н.П. Лабораторный практикум по курсу «Теория электрофизических и электрохимических методов обработки материалов»: метод. указания. М.: Издательство МГТУ им. Н.Э. Баумана, 2010.
10. Giridharan A., Samuel G.L. Modeling and analysis of crater formation during wire electrical discharge turning (WEDT) process // The International Journal of Advanced Manufacturing Technology. 2014. V.77. P.1229-1247.
11. Khan A.A. Role of Heat Transfer on Process Characteristics During Electrical Discharge Machining // Developments in Heat Transfer. 2011. V.21. P.417-435.
Ставицкий Иван Борисович, канд. техн. наук, доцент, vats59@mail. ru, Россия, Москва, Московский государственный технический университет имени Н.Э. Баумана (национальный исследовательский университет),
Богатырев Артем Дмитриевич, ассистент, Россия, Москва, Московский государственный технический университет имени Н.Э. Баумана (национальный исследовательский университет)
DETERMINATION OF RATIONAL WORKING CONDITIONS OF ELECTRICAL DISCHARGE MACHINING BASED ON STUDIES OF THE PARAMETERS OF EROSION CRATERS AND
MODELING OF THERMAL PROCESSES
I.B. Stavitsky, A.D. Bogatyrev
The work is devoted to the definition of rational working conditions of electrical discharge machining based on numerical simulation of thermal processes. Based on experimental data, the distribution of pulse energy between the electrodes and the working medium was obtained, which made it possible to solve the direct thermal problem of moving the phase boundary and determine rational working conditions, geometric parameters of the crater and, as a consequence, the achievable performance of the electrical discharge machining and the roughness of the resulting surface.
Key words: electrical discharge machining, thermal processes, pulse energy, numerical modeling.
Stavitsky Ivan Borisovich, candidate of technical sciences, docent, vats59@mail.ru, Russia, Moscow, Bauman Moscow State Technical University (National Research University),
Bogatyrev Artem Dmitrievich, assistant, Russia, Moscow, Bauman Moscow State Technical University (National Research University)
