CC BY
52
Оригинальная статья / Original article УДК 621.9.048.4
DOI: 10.21285/1814-3520-2017-3-23-30
ОПРЕДЕЛЕНИЕ ОПТИМАЛЬНОГО ЗНАЧЕНИЯ ЭНЕРГИИ ИМПУЛЬСОВ
ПРИ ЭЛЕКТРОЭРОЗИОННОЙ ОБРАБОТКЕ МАЛЫХ ПРЕЦИЗИОННЫХ ОТВЕРСТИЙ
1 9
© Е.Ю. Кудеников1, А.Ф. Бойко2
Белгородский государственный технологический университет им. В.Г. Шухова, Российская Федерация, 308012, г. Белгород, ул. Костюкова, 46.
РЕЗЮМЕ. ЦЕЛЬ. Исследовать влияние величины энергии импульсов генератора электроэрозионного станка на износ электрода-инструмента и производительность обработки, разработать методику определения ее оптимального значения с учетом полного объемного износа электрода-инструмента. МЕТОДЫ. Решение рассмотренных задач основано на экспериментальных методах исследования. РЕЗУЛЬТАТЫ. Разработана методика определения оптимального значения энергии импульсов с учетом полного объемного износа электрода -инструмента. На основе экспериментальных данных определена зависимость эффективности обработки от величины энергии импульсов для данных условий эксперимента. ЗАКЛЮЧЕНИЕ. Предлагаемая методика позволяет выполнить объективную оценку эффективности электроэрозионной обработки микроотверстий в зависимости от энергии импульсов генератора.
Ключевые слова: точность электроэрозионной обработки, конусность отверстий малого диаметра, энергия импульсов электроэрозионного станка, объемный износ электрода-инструмента, контур рабочей части электрода-инструмента, производительность электроэрозионной обработки.
Формат цитирования: Кудеников Е.Ю., Бойко А.Ф. Определение оптимального значения энергии импульсов при электроэрозионной обработке малых прецизионных отверстий // Вестник Иркутского государственного технического университета. 2017. Т. 21. № 3. С. 23-30. РО!: 10.21285/1814-3520-2017-3-23-30
DETERMINING THE OPTIMUM VALUE OF ENERGY PULSES IN ELECTRIC DISCHARGE MACHNINING OF SMALL PRECISION HOLES E.Y. Kudenikov, A.F. Boyko
Belgorod State Technological University n.a. V.G. Shoukhov, 46 Kostyukov St., Belgorod, 308012, Russia.
ABSTRACT. THE PURPOSE. The paper aims to explore the value of an energy impulse of EDM machine's generator on the electrode-tool wear and machining performance, to develop a methodology for calculating its optimal value, taking into account the total volumetric wear of the tool-electrode. METHODS. Solution of the problems under consideration is based on experimental research methods. RESULTS. A method for determining the optimum pulse energy value, taking into account the total volumetric wear of the tool-electrode. On the basis of experimental data, the dependence of machining efficiency on the pulse energy values for the experimental conditions was identified. CONCLUSION. The method allows to perform an objective evaluation of the effectiveness of EDM micro-holes depending on the energy of generator's pulses.
Keywords: EDM precision, taper holes of small diameter, EDM machine pulse energy, volumetric wear of the electrode-tool, contour of the working part of the tool-electrode, EDM performance
For citation: Kudenikov E.Yu., Boyko A.F. Determining the optimum value of energy pulses in electric discharge machnining of small precision holes. Proceedings of Irkutsk State Technical University. 2017, vol. 21, no. 3, pp. 23-30. (In Russian) DOI: 10.21285/1814-3520-2017-3-23-30
Кудеников Евгений Юрьевич, аспирант, e-mail: kudenikov@bk.ru Evgenij Yu. Kudenikov, a postgraduate student, e-mail: kudenikov@bk.ru
2Бойко Анатолий Федорович, доктор технических наук, профессор кафедры технологии машиностроения, e-mail: boyko_1947@bk.ru
Anatolij F. Boyko, Doctor of Engineering Sciences, Professor of the Department of Mechanical Engineering Technology, e-mail: boyko_1947@bk.ru
Введение
В настоящее время в ряде отраслей промышленности возросла потребность в электроэрозионной обработке (ЭЭО) прецизионных отверстий малого диаметра. К прецизионным относят микроотверстия диаметром менее 0,1-0,3 мм, выполняемые с точностью от микрона до нескольких сотых долей миллиметра [1]. Особое значение получение таких отверстий приобрело в производстве инструмента для микросварки и микропайки лопаток газотурбинных двигателей, деталей пневморегулирующей авиационной и ракетной техники, атравматических (хирургических) игл и т.д. Поэтому решение вопроса повышения точности микроотверстий требует проведения соответствующих исследований.
Известно, что в процессе электроэрозионной обработки по межэлектродному промежутку движется жидкость, насыщенная продуктами эрозии, которые создают условия для паразитных разрядов [2-6]. Так как нижние участки электрода-инструмента (ЭИ) подвергаются действию боковых разрядов дольше, чем верхние, то ЭИ в процессе обработки заостряется, что приводит к увеличению погрешности формы (в том числе конусности) получаемого отверстия3 [7, 8].
Цель исследования
При анализе эффективности процесса обработки в зависимости от значения энергии импульсов генератора до настоящего времени оценивалась величина линейного износа элек-трода-инструмента4. При этом объемом изношенной части ЭИ Уизн пренебрегали (рис. 1). Поэтому представляет интерес определение оптимальной энергии импульсов с учетом полного объемного износа электрода-инструмента.
Злектрод-инструмент Межзлектродный промежуток ЕШгос1е-Ш Ыеге/ес?го(/е дар
Рис. 1. Изношенная часть электрода-инструмента Fig. 1. The worn element of the electrode-tool
3Артамонов Б.А Размерная электрическая обработка металлов: учеб. пособие для машиностроительных специальностей вузов. М.: Высш. шк., 1978. 336 с. / Artamonov B.A Size electric machining of metals. Moscow, Vysshaya shkola Publ., 1978, 336 р.
4Левинсон Е.М., Лев В.С. Электроэрозионная обработка металлов: справочное пособие по электротехнологии. Л.: Лениздат, 1972. 328 с. / Levinson E.M., Lev V.S. Electric discharge machining of metals. Leningrad, Lenizdat Publ., 1972, 328 р.
Методы и результаты исследования
Для объективной оценки степени влияния величины энергии импульсов Е, мкДж, на эффективность обработки необходимо определить значение коэффициента эффективности Кэ (1):
Кэ(Е) = ,
Тоб.п.
(1)
о
где уобл - полный объемный износ ЭИ, %; Qоб - объемная производительность, мкм3/с.
Для выявления математической модели зависимости полного объемного износа ЭИ Уобл. (2) и объемной производительности Qоб (3) от величины энергии импульсов генератора на электроэрозионном станке 04ЭП10М был проведен ряд экспериментов:
Гоб.л. = №; (2)
<^об = ГШ (3)
Эксперименты проводились при следующих режимах обработки: частота генератора импульсов станка - 25 кГц; толщина обрабатываемой детали - 1000 мкм; материал - корро-зионностойкая сталь аустенитного класса Д!Б! 321; материал электрода-инструмента - вольфрам в виде проволоки; рабочая среда - вода водопроводная.
Эксперимент проводился следующим образом. Электродом-инструментом диаметром ^=100 мкм прошивалось семь сквозных отверстий с энергиями импульсов, мкДж: Е1 - 64,1; Е2 - 96,15; Ез - 211,538; Е4 - 301,28; Е5 - 325,56; Е6 - 641,025; Е7 - 1282,05. При прошивке измерялся линейный износ 2 и время обработки После обработки каждого отверстия с помощью цифрового микроскопа Levenhuk D70L выполнялась серия снимков рабочей части электрода-инструмента, после чего ЭИ торцевался на 1000-1100 мкм, далее производилась обработка следующего отверстия.
Для определения объема изношенной части электрода-инструмента Уизн требовалось определить функцию, которая позволила бы наиболее точно теоретически описать контур рабочей части ЭИ. Анализируя полученные в ходе эксперимента снимки рабочей части электрода-инструмента в качестве функции, описывающей ее контур, была предложена показательная функция (4) и функция эллипса (5):
= аЬг) (4)
l2(f) = h — h
г а d/2
1/Ъ
(5)
где a, b - коэффициенты, изменяющиеся в зависимости от глубины отверстия; h - глубина обработки, мкм; d - диаметр ЭИ, мкм.
Используя экспериментальные значения величины изношенной части ЭИ 1э, с помощью системы Mathcad находим коэффициенты a и b функций (4) и (5). Подставим их в (4) и (5) и определим значения 11, 12. Полученные значения для Ep64,1 мкДж представлены в табл. 1.
Выполним аналогичные расчеты для других значений энергии импульсов E, результаты сведем в табл. 2.
Анализируя данные табл. 2, можно сделать вывод о том, что при использовании функции эллипса (5) для описания контура рабочей части ЭИ отклонение теоретических значений от экспериментальных меньше, чем у показательной функции (4). Таким образом, функция эллипса (5) наиболее точно описывает форму рабочей части электрода-инструмента.
Найдем зависимость длины изношенной части электрода-инструмента I от энергии импульса E через коэффициенты a и b функции (5). Для этого определим зависимость коэффициентов a и b от энергии импульсов E:
а = f(E), Ь = f(E).
(6) (7)
Таблица 1
Сравнение экспериментальных значений величины износа электрода-инструмента I с расчетными значениями в зависимости от радиуса r
Table 1
Comparison of the experimental values of the electrode-tool wear l value
and calculated values depending on the radius r
Параметр / Parametr Значение / Vaiue
r, мкм 10 20 30 40
¿э, мкм 4,65 11,16 20,16 35,9
¿1 (r), мкм 3,391 7,668 17,337 39,2
¿2 (r), мкм 4,157 11,056 20,805 35,583
(1э-h (r))2 1,584 12,194 7,967 10,887
(1э-h (r))2 0,244 0,011 0,416 0,1
-h (r))2 32,632
-*2 (r))2 0,771
Таблица 2
Значения сумм квадратов отклонений экспериментальных значений I от расчетных
Table 2
The values of the sum of squares of deviations of experimental values o
f l from the calculated values
Параметр/ Parametr Значение / Vaiue
E, мкДж 64,1 96,15 211,538 301,28 352,56 641,025 1282,05
-h (r))2 32,632 31,724 49,333 57,373 69,26 151,113 581,283
-*2 (r))2 0,771 0,768 1,073 0,327 2,573 1,182 1,385
Используя систему Mathcad, опишем зависимости (6) и (7) с помощью математических функций и построим их графики (рис. 2):
а = 0,793 • е-3'31810-3 £ + 0,991, (8)
Ь = 1,931 •е-4'7410-3£ + 1,674. (9)
Подставим полученные функции (8), (9) в (5) и построим ее графики (рис. 3):
¿2(r) = 1000 - 1000
Г 0,793-е-3'318'10 3'е+0,991 1 -- ' ' 50
e-4'74-10-3-E+i'674
. (10)
Для нахождения объема полученных отверстий Уотв при различных значениях энергии импульсов проинтегрируем функцию (10). Объем изношенной части электрода-инструмента Уизн (рис. 1) найдем по формуле (11), объем линейного износа Улин - по формуле (12), сведем полученные данные в табл. 3.
Уиэи = п • 502 • 1000 - Уотв, (11)
Улин=^^502 ^. (12)
Используя данные табл. 3, найдем объемный износ (13) и полный объемный износ (14) электрода инструмента, результаты сведем в табл. 4.
Уоб = т^Ш%, (13)
^отв
Уоб.п. = ^изн+^линн • 100% . (14)
^птв
1
а b
Рис. 2. Зависимость коэффициентов a и b от энергии импульсов E (сплошные линии - экспериментальные, пунктирные - теоретические): а - зависимость коэффициента a от энергии импульсов E; b - зависимость коэффициента b от энергии импульсов E Fig. 2. The dependence of the coefficients a and b on the pulse energy E (solid line - experimental, dotted - theoretical)
Рис. 3. Теоретически описанные контуры рабочей части электрода-инструмента в зависимости от значения энергии импульсов Fig. 3. Theoretically described the contours of the working part of the tool-electrode depending
on the pulse energy values
Таблица 3
Объемы полученных отверстий изношенной части электрода-инструмента линейного износа при различных значениях
энергии импульсов
Table 3
Volumes of obtained holes of the worn element of the electrode-tool of a linear wear _for different pulse energies_
Параметр / Parametr Значение / Vaiue
Vome, мкм3х106 5,704 5,545 5,028 4,703 4,55 4,038 3,795
VU3H, мкм3х106 2,15 2,309 2,826 3,151 3,304 3,816 4,059
VmH, мкм3х106 3,142 3,927 6,283 7,854 8,639 12,57 20,42
Таблица 4
Объемный износ и полный объемный износ при различных энергиях импульсов
Table 4
_Volumetric wear and total volumetric wear for different pulse energies_
Параметр / Parametr Значение / Vaiue
E, мкДж 64,1 96,15 211,538 301,28 352,56 641,025 1282,05
Уоб, % 38 42 56 67 73 94 107
Уоб.п., % 93 112 181 234 262 406 645
Проанализировав данные, представленные в табл. 3 и 4, следует отметить, что величина объема изношенной части ЭИ Уизн соизмерима с величиной объема линейного износа Улин. Следовательно, для объективной оценки эффективности процесса необходимо учитывать именно полный объемный износ электрода-инструмента уобп.
Зная объем полученных отверстий Уотв и время обработки I, найдем объемную производительность Осб, мкм3/мс:
Соб=^ . (15)
Используя систему Ма^саЬ, опишем зависимость объемной производительности от энергии импульса (3) с помощью логарифмической функции и построим ее график (рис. 4).
Соб(£) = 18,195 • ln(-61,695 + Я) + 142,38 . (16)
Для определения оптимального значения энергии импульсов определим коэффициент эффективности Кэ (1). Результаты представим в виде графика зависимости коэффициента эффективности от энергии импульсов (рис. 5).
Анализируя график, можно сделать вывод о наличии экстремума функции (1), при котором значение коэффициента эффективности является максимальным, а, следовательно, процесс обработки становится наиболее эффективным (рис. 5). Для данных условий эксперимента максимальное значение коэффициента эффективности Кэ составило 1,607 при энергии импульсов 86,744 мкДж. Таким образом, с учетом дискретности установки значения энергии импульсов станка оптимальным будет режим № 6 с энергией Е = 96,15 мкДж.
О ПО 260 390 320 630 7S0 910 1.04x101 17х1Г1 3x10?
E
Рис. 4. График зависимости объемной производительности от энергии импульса (сплошная линия - экспериментальная, пунктирная - теоретическая) Fig. 4. A plot of the volume efficiency of the pulse energy (solid line - experimental,
dotted - theoretical)
о J-1-1-1-1-1-1-1-1
64,1 96,15 211,538 301,28 352,56 641,025 1232,05
E, мкДж
Рис. 5. График зависимости коэффициента эффективности от энергии импульса Fig. 5. Dependency of the performance ration on the energy pulse
Заключение
Проанализировав полученные данные, можно сделать следующие обобщающие выводы:
1. С увеличением энергии импульса полный объемный износ электрода-инструмента и объемная производительность возрастают.
2. Существует предельное значение энергии импульса, при превышении которого наблюдается увеличение полного объемного износа электрода инструмента при практически неизменном значении производительности процесса.
3. Для выполнения объективного анализа эффективности процесса электроэрозионной обработки необходимо учитывать значение полного объемного износа электрода-инструмента.
4. Предложенный коэффициент эффективности, представляющий собой отношение объемной производительности к полному объемному износу электрода-инструмента, позволяет оценить эффективность процесса электроэрозионной обработки для данных условий.
5. Для нахождения оптимального значения энергии импульса необходимо найти локальный экстремум (максимум) функции Кэ(£) = .
Уоб.п.
Библиографический список
1. Левинсон Е.М., Лев В.С., Гуткин В.Г., Лившиц А.Л., Юткин Л.А. Электроразрядная обработка материалов. Л.: Машиностроение, 1971. 256 с.
2. Бойко А.Ф. Эффективная технология и оборудование для электроэрозионной прошивки прецизионных микроотверстий: монография. Белгород: Изд-во БГТУ им. В.Г. Шухова, 2010. 314 с.
3. Бойко А.Ф. Исследование многофакторной зависимости износа электрода-инструмента при электроэрозионной прошивке микроотверстий // Вестник БГТУ им. В.Г. Шухова, 2016. № 7. С.116-121.
4. Золотых Б.Н. Физические основы электроискровой обработки. М.: Машиностроение, 1977. 44 с.
5. Попилов Л.Я. Справочник по электрическим и ультразвуковым методам обработки материалов. Л.: Машиностроение, 1971. 544 с.
6. Фатеев Н.К. Технология электроэрозионной обработки. М.: Машиностроение, 1980. 184 с.
7. Лазаренко Б.Р. Электроискровая обработка металлов. М.: Машиностроение, 1950. 164 с.
8. Левинсон Е.М. Отверстия малых размеров. Л.: Машиностроение, 1977. 152 с.
References
1. Levinson E.M., Lev V.S., Gutkin V.G., Livshic A.L., Jutkin L.A. Jelektrorazrjadnaja obrabotka materialov [Electrodis-charge machining]. Leningrad, Mashinostroenie Publ., 1971, 256 р. (In Russian)
2. Bojko A.F. Jeffektivnaja tehnologija i oborudovanie dlja jelektrojerozionnoj proshivki precizionnyh mikrootverstij [Efficient technology and equipment for electric discharge machining of precision microholes]. Belgorod, BGTU im. V.G. Shuhova Publ., 2010, 314 р. (In Russian)
3. Bojko A.F. Issledovanie mnogofaktornoj zavisimosti iznosa jelektroda-instrumenta pri jelektrojerozionnoj proshivke mikrootverstij [Studies of multifactor dependency of the electric tool wear during electric discharge machining of micro-holes]. Vestnik BGTU im. V.G. Shuhova [Bulletin of the Belgorod State Technical University of V.G. Schuhov]. 2016, no. 7, рр.116-121. (In Russian)
4. Zolotyh B.N. Fizicheskie osnovy jelektroiskrovoj obrabotki [Physical basis of electric machining]. Moscow, Mashinostroenie Publ., 1977, 44 р. (In Russian)
5. Popilov L.Ja. Spravochnik po jelektricheskim i ul'trazvukovym metodam obrabotki materialov [Reference book of electric and ultrasound methods of machining]. Leningrad, Mashinostroenie Publ., 1971, 544 р. (In Russian)
6. Fateev N.K. Tehnologija jelektrojerozionnoj obrabotki [Methods of electric discharge machining]. Moscow, Mashinostroenie Publ., 1980, 184 р. (In Russian)
7. Lazarenko B.R. Jelektroiskrovaja obrabotka metallov [Electric discharge machining of metals]. Moscow, Mashinostroenie Publ., 1950, 164 p. (In Russian)
8. Levinson E.M. Otverstija malyh razmerov [Small size holes]. Leningrad, Mashinostroenie Publ., 1977, 152 р. (In Russian)
Критерии авторства
Кудеников Е.Ю., Бойко А.Ф. имеют на статью равные авторские права и несут равную ответственность за плагиат.
Authorship criteria
Kudenikov E.U., Boyko A.F. have equal author's rights and responsibility for plagiarism.
Конфликт интересов
Авторы заявляют об отсутствии конфликта интересов.
Conflict of interest
The authors declare no conflict of interests.
Статья поступила 09.01.2017 г. The article was received on 09.01.2017
