CC BY
49
мости от дальности и угла измерения. Карта будет формироваться в соответствии с указанными типами основного и дополнительных фоновых покрытий. В качестве предполагаемого списка дополнительных фонов фигурируют только покрытия неантропогенной природы, расположение, размеры и форма которых носят заведомо случайный характер.
Список литературы
1. Нащокин В.В. Техническая динамика и теплопередача. М.: Высш. школа, 1980. 469 с.
2. Петросянц М.А., Хромов С.П. Метеорология и климатология. М.: Изд-во МГУ, 1994. 520 с.
M.A. Zagorulko
MATHEMATICAL SIMULATION OF IR AND BOTTOMING SURFACE BACKGROUND THERMAL FIELDS
The numerical simulation results for bottoming terrain and power brightness diurnal variation in different climatic zones is analyzed.
Key words: target environment, temperature, climatic zone, bottoming surface.
Получено 07.02.12
УДК 541.135 : 519.713
А.И. Курочкин, асп., (920) 742-21-49, erider00@gmail.com (Россия, Тула, ТулГУ)
ПОВЫШЕНИЕ ТЕХНОЛОГИЧЕСКИХ ПОКАЗАТЕЛЕЙ МИКРОЭРОЗИОННОЙ ОБРАБОТКИ ПРИ ВЫСОКОЧАСТОТНЫХ РЕЖИМАХ
Проведены исследования процесса формирования профиля обрабатываемой поверхности при МЭЭО и анализ факторов, определяющих форму эрозионной лунки. На основе проведённых исследований разработан режим МЭЭО пакетами высокочастотных импульсов, обеспечивающий улучшение технологических показателей МЭЭО.
Ключевые слова: микроэрозионная обработка, технологические показатели, режим обработки, эрозионная лунка, межэлектродный промежуток, пакеты высокочастотных импульсов, канал разряда.
В последние годы в науке и технике наблюдается устойчивая тенденция к миниатюризации различных технических систем. В связи с этим
перед промышленностью всё чаще возникают задачи изготовления микроизделий, конструкция которых становится всё более сложной.
На современном этапе развития науки и техники наиболее эффективной технологией получения микрообъектов из электропроводных материалов является микроэрозионная обработка (МЭЭО). Высокие технологические показатели обработки, универсальность применения и относительная простота реализации обеспечили широкое распространение МЭЭО в промышленности. Но при реализации МЭЭО на существующем оборудовании данный метод имеет ряд недостатков, снижающих его возможности. Например, снижение величины износа электрода-инструмента (ЭИ) и увеличение производительности обработки на чистовых режимах позволили бы существенно повысить возможности МЭЭО и расширить область её применения.
Таким образом, несмотря на высокий уровень развития современной электроэрозионной техники, задача улучшения технологических показателей МЭЭО по-прежнему является актуальной.
Целью исследования является разработка режима МЭЭО, обеспечивающего повышение точности копирования формы (максимальная погрешность формообразования Дтах < 0,05 мм), производительности формообразования ^ > 150-104 мкм3/мин) и шероховатости обрабатываемой поверхности ^а < 0,50 мкм).
Задачей исследования является проведение теоретических и экспериментальных исследований процесса МЭЭО с целью определения возможностей и путей улучшения технологических показателей обработки.
Проведение исследований. Физические основы процесса МЭЭО во многом схожи с основами процесса традиционной электроэрозионной обработки (ЭЭО) [8]. Но отличия заключаются в размерах обрабатываемых объектов и, как следствие, в режимах обработки. Поэтому на первоначальном этапе исследований был проведен анализ процесса формирования профиля обрабатываемой поверхности в ходе ЭЭО.
Формирование профиля обрабатываемой поверхности происходит в результате суперпозиции эрозионных лунок. Процесс формирования обрабатываемой поверхности в несколько упрощённом виде можно описать следующим образом: после формирования эрозионной лунки первым разрядом ось следующего разряда с наибольшей вероятностью пройдёт через металлический валик, окаймляющий предыдущую лунку, в результате чего происходит перекрытие профилей эрозионных лунок [5].
На рис. 1, а представлена схема формирования профиля обрабатываемой поверхности эрозионными лунками диаметром Ц и глубиной Из схемы видно, что величины съёма материала с поверхности заготовки Дh и средняя высота неровностей профиля обрабатываемой поверхности Ra имеют большее значение в случае формирования поверхности эрозионными лунками большего диаметра ф2). Отсюда можно сделать вывод, что
для улучшения показателей качества обрабатываемой поверхности необходимо применять режимы обработки, при которых размеры единичной эрозионной лунки будут минимальны. Но в этом случае неизбежно уменьшится величина съёма, что снизит производительность обработки.
В ходе современных исследований процесса формирования обрабатываемой поверхности было установлено, что на величину съёма и шероховатость обрабатываемой поверхности влияют не только размеры эрозионной лунки, но и показатель её формы, которая меняется в зависимости от режимов обработки [5, 6]. На основе результатов данных исследований было установлено, что добиться высоких показателей съёма (Л^ при сохранении высокого качества обрабатываемой поверхности (9 - 11-й классы) можно при формировании профиля обрабатываемой поверхности эрозионными лунками с соотношением глубины к диаметру Ь / Di > 2. Схема формирования обрабатываемой поверхности такими лунками представлена на рис. 1, б.
На следующем этапе были проведены исследования механизмов формирования эрозионной лунки с целью разработки режима МЭЭО, обеспечивающего формирование эрозионных лунок с соотношением глубины к диаметру Ь / Di > 2.
Эрозионная лунка образуется в результате воздействия тепловой энергии, выделяющейся в канале разряда, на поверхность электродов. В зоне контакта канала разряда с электродом происходят нагрев и плавление либо в зависимости от мощности рабочего импульса и плотности энергии в канале разряда - нагрев и взрывное испарение материала электрода. Характер протекания данных процессов зависит от характеристик канала разряда - мощности, диаметра и плотности энергии в нём.
Рис. 1. Схемы формирования профиля обрабатываемой поверхности эрозионными лунками различной формы: а - эрозионными лунками с соотношением hi/ Di < 1; б - эрозионными лунками с соотношением
^ / Di > 2
Из области электронно-лучевой обработки известно, что эффект глубокого проплавления металла достигается при высокой плотности
5 2
энергии в канале разряда (более 1с 10 Вт/см ) [4]. В этом случае в результате быстрого повышения температуры на поверхности электрода (Ю10-7...Ю10-8 с.) происходит прогрев металла на глубину, в 2 - 4 раза превышающую диаметр зоны воздействия, его плавление и взрывное испарение, в результате чего образуется лунка большой глубины и малого диаметрад исследователей процесса ЭЭО отмечают, что максимальная плотность энергии в канале разряда наблюдается на начальных стадиях его существования, когда диаметр канала ещё достаточно мал (< 1 мкм) [1, 7]. Они связывают это с тем, что на начальных этапах формирования канала разряда окружающие его массы диэлектрической жидкости существенно повышают время увеличения его диаметра до максимального значения (106.10-7 с.). При этом ток, протекающий через канал разряда, достигает максимального значения за 10-8 с. В результате в канале разряда на начальных этапах его существования образуется высокая плотность энергии, которая в дальнейшем снижается по мере увеличения его диаметра. Эти данные подтверждаются современными результатами высокоскоростной съёмки процесса ЭЭО в инфракрасном спектре, на кадрах которой видно, что наибольшая температура в канале разряда наблюдается именно на начальных этапах его существования (рис. 2).
Рис. 2. Данные исследований процессов в межэлектродном промежутке: а - кадры высокоскоростной съёмки в инфракрасном спектре канала разряда; б - модель формирования эрозионной лунки в процессе пробоя жидкого диэлектрика [7]
Современные результаты моделирования процесса электроэрозионной обработки [7] подтверждают, что на начальном этапе образования искрового разряда между электродами происходит формирование эрозионной лунки преимущественно в глубину, а на дальнейших этапах происходит увеличение её диаметра (рис. 3).
Таким образом, для получения эрозионных лунок с соотношением глубины к диаметру Ь / Ц > 2 необходим режим, позволяющий управлять величиной тока и плотностью энергии в канале разряда и, как следствие, диаметром канала и плотностью энергии в нём.
На основе данных, полученных в ходе исследования механизма образования эрозионной лунки, был разработан режим микроэрозионной обработки, при котором управление распределением мощности и плотностью энергии в канале разряда осуществляется при помощи метода широтно-импульсной модуляции.
Данный метод основан на регулировке мощности, рассеиваемой на нагрузке, путём периодического включения и выключения тока через нагрузку. Изменяя частоту и длительность импульсов тока, можно изменять величину среднего тока через нагрузку и тем самым регулировать рассеиваемую на ней мощность. Такой принцип, например, широко применяется для регулирования частоты вращения электродвигателей, регулирования яркости источников света и т.д. Такой же эффект проявляется практически с любым потребителем электрического тока, имеющим определённую инерцию, т.е. способным запасать энергию. К данному типу потребителей относится и межэлектродный промежуток (МЭП), так как он обладает определённой емкостью и способен запасать энергию.
Характерной особенностью разработанного режима является применение вместо непрерывных рабочих импульсов пакетов из нескольких десятков или сотен высокочастотных импульсов сверхмалой длительности (100...500 нс) (рис. 3). Длительность пакета составляет 100...10 мкс., что сопоставимо с длительностью единичного импульса при традиционной МЭЭО. При изменении длительности и частоты импульсов внутри пакета можно изменять величину постоянной составляющей тока в канале разряда и тем самым управлять диаметром канала разряда и плотностью энергии в нём.
При традиционной МЭЭО обработка осуществляется непрерывными рабочими импульсами, и изменять величины тока в канале разряда и диаметра не представляется возможным. Величины этих параметров определяются только электрическими характеристиками МЭП на данном промежутке времени и далеко не всегда являются оптимальными.
На рис. 2, б представлены осциллограммы пакетов импульсов напряжения и импульсов тока во время МЭЭО. Как видно, задний фронт импульсов тока существенно превышает длительность паузы между импульсами пакета. Это вызвано емкостью МЭП, которая разряжается (отдаёт
запасённую энергию) после прекращения действия импульса напряжения. При длительности паузы между импульсами в пакете, превышающей время полной разрядки электрической ёмкости, емкость МЭП разрядится полностью, и во время паузы между импульсами канал разряда погаснет. Если же длительность паузы между импульсами не превышает время разрядки распределённой ёмкости МЭП, то импульсы тока будут иметь постоянную составляющую, и канал разряда не погаснет на протяжении всей длительности пакета. В таких условиях искровой разряд переходит в другой вид электрического разряда - высокочастотный разряд [3].
При изменении величины постоянной составляющей тока в канале разряда изменяется диаметр канала разряда [7] и, как следствие, диаметр эрозионной лунки. Повышая амплитуду импульсов тока при неизменной постоянной составляющей, можно увеличить плотность энергии в канале разряда [1], что приводит к увеличению глубины эрозионной лунки.
Применение высокочастотных разрядов при МЭЭО открывает новые возможности по управлению процессом обработки и улучшению его технологических показателей. При изменении частоты и скважности импульсов в пакете меняется величина постоянной составляющей тока в канале разряда, что приводит к изменению его диаметра и температуры внутри канала. При изменении скважности и длительности пакетов импульсов меняется время существования канала разряда и как следствие, время теплового воздействия на электроды и его глубина. Таким образом, изменяя характеристики импульсного сигнала, можно добиться новых технологических показателей процесса МЭЭО.
Для проверки результатов теоретических исследований и определения оптимальных режимов для различных материалов и условий обработки были проведены экспериментальные исследования процесса МЭЭО пакетами высокочастотных импульсов.
В ходе проведения экспериментов осуществлялась обработка следующих материалов: стали 40Х ГОСТ 4543-71, молибдена ГОСТ 25442-82, бронзы ГОСТ 493-79, медной фольги ГОСТ 859-2001. Были получены следующие микроэлементы: микроотверстия диаметром 300 и 50 мкм глубиной 1000 мкм в стали 40Х и молибдене; микрополости полусферической формы диаметром 1 мм в стали 40Х и кремнии; массивы поверхностных элементов сложной формы на поверхности бронзовой заготовки; массив микроотверстий сложной формы в медной фольге. В качестве рабочих жидкостей применялись керосин ГОСТ 10227-86 и дистиллированная вода.
В результате экспериментальных исследований были получены зависимости технологических показателей МЭЭО от основных характеристик рабочего импульсного сигнала - частоты следования импульсов в пакете и длительности пакетов (рис. 4).
Тн
6
Рис. 3 Пакеты высокочастотных импульсов при МЭЭО: а - пакеты импульсов и их основные характеристики;
Тп - период следования пакетов; tn - длительность пакета; tn' - длительность паузы между пакетами; Ти - период следования импульсов в пакете; Ш - длительность импульса в пакете;
Ш' - длительность паузы между импульсами в пакете; Umax - амплитуда импульсов; N - количество импульсов в пакете; б - осциллограммы пакетов импульсов напряжения и тока в процесса
МЭЭО
Из полученных зависимостей видно, что значительное влияние на производительность обработки оказывает изменение длительности пакета импульсов, в то время как изменение частоты импульсов в пакете на производительность обработки влияет незначительно. При этом изменение частоты импульсов в пакете оказывает значительное влияние на износ электрода-инструмента - при уменьшении частоты следования импульсов в пакете износ электрода инструмента снижается.
Также были проведены исследования влияния на технологические показатели обработки типа используемой рабочей жидкости. В результате было установлено, что лучшая точность обработки достигается при использовании керосина, в то время как лучшая производительность обработки и меньший износ электрода-инструмента наблюдались при использовании дистиллированной воды.
Заеиашость производительности обработки Щ от длительности лйкш. йг ы часттт сл&этанш ¿шщлъсое/
500
'-Ч 400
№
4 300
200
100
1 Г 1 -♦- /= ЬчГц -•-/=2л1Гц
У у*
# # £ # / # / / / / щ же
Занипшжть шероховатости обрабашмш?/ш>й поперюности Ка. от. длатглъклхти. п&ктеов ж и. шепктш следокажт рабочих ттрльсов
с
0,5
щ
0,3 0,2 0,1 О
— ! 1 !
--*- /= ЬмГи, -щ-/=2л1Гц щ
> г
гг к?
...а---
г ф
V т7 -■икс
Зашаякость износа зжктрода-и тщткита от па петое
т и частоты ан^хтаная имнульсоа е полете/
то -80 60 40 20 О
Ги
ц у*
—■Щ-- _-в-—
т
т
/л, лтс
Зшш1ш<!гт&лшкс1шалъшш погрешности. ЭЭО от амп.»итудырабошх ¡шщ'лжов и
и тиш рабочей жидкости Ш5; тг
1
0,04 Т 0,03 0,02 0,01 О
ЩЬюСУЦ
Иода дезюнл:
10
15 20
и, В
30 40
Рис. 4. Зависимости технологических показателей МЭЭО
от режимов обработки
При экспериментальных исследованиях влияния длительности пакета импульсов и частоты следования импульсов в пакете на шероховатость обрабатываемой поверхности было установлено, что при увеличении длительности пакета увеличивается диаметр эрозионной лунки, а при увеличении частоты следования импульсов внутри пакета - её глубина.
Выводы. В данной работе были проведены теоретические исследования физических основ процесса МЭЭО и механизма формирования профиля обрабатываемой поверхности. На основе результатов проведенных исследований был разработан режим МЭЭО пакетами высокочастотных (1.2 мГц) импульсов сверхмалой длительности (100.500 нс). Применение данного режима позволило улучшить технологические показатели процесса МЭЭО. При проведении экспериментальных исследований наилучших результатов удалость достигнуть при получении полусферической микрополости в стали 40Х ГОСТ 4543-71. При этом были достигнуты следующие технологические показатели:
- производительность обработки Q < 400 мкмЗ/мин;
- шероховатость обрабатываемой поверхности Ra = =0,10...0,18 мкм;
- максимальная погрешность формообразования Amax < 0,03 мм.
Режим обработки - длительность пакета импульсов tn = 2 мкс, частота следования импульсов в пакете f = 2мГц.
Работа выполнена в рамках Государственного задания 4312ГЗ на 2012 - 2014 гг.
Список литературы
1. Золотых Б. Н. Физические основы электрофизических и электрохимических методов обработки. Ч. 1. М.: МИЭМ, 1975. 106 с.
2. Курочкин А.И. Исследование процесса электроэрозионной обработки с использованием импульсов наносекундной длительности // Высокие, критические электро- и нанотехнологии: труды Всероссийской научно-технической конференции. Тула, 26 октября 2011 г. Тула: ТулГУ, 2011. С. 74-78.
3. Райзер Ю.П., Шнейдер М.Н., Яценко Н.А. Высокочастотный емкостной разряд: Физика. Техника эксперимента. Приложения. М.: Наука, 1995.
4. Рыкалин Н.Н., Зуев И.В., Углов А.А. Основы электроннолучевой обработки материалов. М.: Машиностроение, 1978. 239 с.
5. Фотеев Н.К. Технология электроэрозионной обработки. М.: Машиностроение, 1980, 184 с.
6. Chander Parkash Khatter «Analysis of surface integrity in electrical discharge machining (EDM) process for tungsten carbide material» dis. Ph. D. Patiala, India, 2010.
7. Kunieda Massanory. Advancements in fundamental studies of EDM gap Phenomena - Mode acess: http://www.jstage.jst.go.jp/article/ jsmec/47/1/384/ pdf
8. A Review of Micro-EDM / S. Mahendran [et al.] // Proceedings of the International MultiConference of Engineers and Computer Scientists 2010 Vol II, IMECS 2010, March 17 - 19, 2010, Hong Kong.
A.I. Kurochkin
IMPROVING OF /EDM CHARACTERISTICS USING HIGH-FREQUENSE PULSE CONTROL SIGNALS
The investigation of surface integrity in /EDM and developing high-frequency pulse control signals for improving characteristics of /EDM process, and the results of experimental studies of /EDM process with using developed high-frequency pulse control signals are presented.
Key words: /EDM, surface quality, material removal rate, surface integrity, high-frequency pulse control signals, discharge column.
Получено 07.02.12
