CC BY
50
ЭЛЕКТРОФИЗИЧЕСКИЕ И ЭЛЕКТРОХИМИЧЕСКИЕ МЕТОДЫ ОБРАБОТКИ
УДК 621.9.048.4
Повышение точности обработки
при электроэрозионной проволочной резке
А. И. Самаркин, О. В. Негина
В статье рассмотрены вопросы, связанные с прокачкой жидкости-диэлектрика и ее влиянием на точность обработки. Показана возможность повышения точности обработки за счет компенсации погрешностей обработки путем коррекции текста управляющей программы станка.
Ключевые слова: электроэрозионная проволочная резка, электрод-проволока, прокачка жидкости, диэлектрик, численное моделирование, эпюры.
Электроэрозионная проволочная резка окон матриц штампов производится в закаленном металле (стали типа ХВГ, ХВС) электродом малого диаметра (0,1-0,3 мм) за три прохода, которые различаются режимами резания. Под режимами резания, помимо очевидных параметров разряда, подачи по контуру резки и параметров подачи электрода-проволоки, понимается также давление прокачки жидкости-диэлектрика (в настоящее время в основном применяется дистиллированная вода), обеспечивающее экстракцию отходов и стабилизацию условий протекания разряда. Прокачка осуществляется через дюзы, расположенные коаксиально с электродом в направляющей фильере. Заметим, что первый (который часто называют черновым — Rough) и второй проходы характеризуются интенсивной прокачкой жидкости (при давлении в дюзах 4-6 атм), а третий — относительно слабой прокачкой жидкости (1-2 атм.). Заметим также, что черновой проход обеспечивает параметр шероховатости поверхности Ra = 2,5 - 1,6 мкм, последующие — Ra = 1,6 - 0,8 мкм и Ra = = 0,8 - 0,6 мкм.
Можно сказать, что по критерию шероховатости поверхности возможна обработка контура матрицы за два прохода, однако точность профиля в продольном сечении (вдоль оси электрода-проволоки) в этом случае будет недостаточной: вероятно задирание штифтов, повышенное морщение и образование
заусенцев на поверхности штампуемого металла, что требует третьего прохода. Если принять подачу чернового прохода за 1, то первый чистовой проход (ориентировочно) будет иметь подачу 1,5, а последующий — 2-кратно более быструю, откуда получаем, что время третьего прохода составляет 1/3...1/4 от общего времени обработки. Таким образом, исключение третьего прохода означает повышение производительности электроэрозионной резки на 25-30 %.
Для обработки в два прохода при сохранении точности необходимо: во-первых, уметь рассчитывать погрешности обработки, а во-вторых, компенсировать эти погрешности.
Дальнейшее повышение точности обработки существующими методами (повышение точности исполнения узлов станка, повышение жесткости элементов динамической системы станка, внедрение систем сверхточного позиционирования путем использования линейных электродвигателей) является, во-первых, высокозатратным, а во-вторых — малоэффективным, так как основную роль в балансе точности обработки играет лимитирующее звено — электрод-проволока диаметром 0,1-0,3 мм при расстоянии между направляющими (фильерами) 20-60 мм.
Исторически направление электрода-проволоки осуществлялось путем его движения по копиру [3]. Помимо известных недостатков обработки по копиру, этот метод позволял
изготавливать копир с заложенной в его профиль коррекцией на погрешности обработки. Внедрение станков с числовым программным управлением, в которых роль копира играет управляющая программа, привело к общему росту точности обработки и в известной степени к отказу от использования метода предварительной коррекции. В настоящее время коррекция (офсет) на траекторию учитывает лишь так называемый «розжиг» и припуск под последующие проходы электрода и вносится кодами 041/042.
Конструкция современных станков проволочной резки обычно обеспечивает движение электрода по контуру путем синхронного перемещения верхней и нижней фильер. Угловая резка (с наклоном электрода) обеспечивается смещением верхней фильеры, причем задается только угол наклона, а реальные смещения верхней фильеры (в приращениях к положению нижней — через координаты и и V), рассчитываются математическим обеспечением системы управления. Допускается также 4-ко-ординатная резка с независимым управлением положением нижней и верхней фильер.
Таким образом, для компенсации погрешностей обработки достаточно внести коррекцию в текст управляющей программы в соответствии с расчетными значениями погрешностей и ожидаемыми оптимальными характеристиками точности профиля.
Анализ возможных источников погрешностей обработки, выполненный авторами, позволил сделать вывод о том, что наиболее податливым звеном системы является электрод-проволока, а одним из наиболее важных источников погрешностей — давление диэлектрика при его прокачке.
Определение силовых нагрузок от потока диэлектрика представляет собой сложную и интересную в научном отношении задачу, поскольку:
1) течение жидкости определяется дифференциальными уравнениями Навье—Стокса, общее решение которых отсутствует и существует в явном виде лишь для относительно простых случаев (например, поток крови по капилляру) [1];
2) решение с помощью численных методов вручную затруднительно, так как задача плохо обусловлена (поскольку длина электрода —
20-60 мм в 100-600 раз больше его же диаметра) и доступные схемы (методы Рунге— Кутты или вариации метода Адамса) или не сходятся, или сходятся неприемлемо долго.
Следовательно, для решения поставленной задачи необходимо использовать один из пакетов конечно-элементного анализа. Пакет должен обеспечивать встроенный контроль сходимости решения и позволять передавать результаты анализа течения жидкости (в частности, давление) в анализ упругих перемещений от заданной нагрузки. Одним из таких комплексных средств является АК8У8 (ознакомительная версия).
Моделированию подвергались следующие характерные случаи обработки:
1) по качеству обработки: предварительная резка (электрод в замкнутом канале);
окончательная резка (электрод касается детали с одной стороны);
2) по расстоянию между фильерами: деталь малой толщины (расстояние между фильерами около 25 мм, электрод сравнительно жесткий);
деталь повышенной толщины (расстояние между фильерами около 80 мм, электрод сравнительно податливый);
3) по давлению в фильерах; равное давление в фильерах; неравномерное давление в фильерах (расход диэлектрика в соотношении 1 : 3).
4) по расположению нити: вертикальное расположение нити (прямой
рез);
наклонное расположение нити (конусная резка);
5) по форме обрабатываемой поверхности: прямя резка (по плоскости);
резка по окружности (резка штифтов); резка окон прямоугольной формы. Типичная последовательность моделирования представлена рис. 1.
Для сокращения времени моделирования была разработана параметризованная (изменяемая при изменении таких параметров как толщина детали, угол наклона нити, диаметр электрода) расчетная схема (рис. 2):
В результате численного моделирования протекания диэлектрика в канале между электродом и заготовкой удалось получить много-
электрофизические и электрохимические методы обработки
чг А
1 Geometry
2 ® Geometry -У л —
Geometry
/
в - с
13 Fluid Flow (CFX) □ -5 Fluid Flow (CFX)
2 Geometry 2 Ф Geometry ✓
3 Ф Mesh у 3 Ф Mesh ✓
4 & Setup У 4 © Setup ✓
5 Solution ✓ 5 Solution ✓
6 oe) Results у б iß Results ✓
Fluid Flow^ / > Copy ofFluidFlow \ V
2 т 4 *
4 V
\ 1 S Hud Flow (CFX)
ч 2 Ф Geometry ✓
Ш 3 ф Mesh ✓
4 Й Setup ✓
5 Ö Solution ✓
6 @ Results ✓
3
-
i Fluid Flow (CFX)
2 Ф Geometry V' „
3 Ф Mesh
4 © Setup V .
S Solution
6 Results *.
1
5
I 60 0.2 кд/с Сору I 60 0.3 0.1 кд/с
Рис. 1. Последовательность моделирования:
1 — импорт геометрии из CAD-системы; 2, 3 — анализ течения диэлектрика с разделенными геометрическими данными; 4, 5 — анализ течения диэлектрика с разделенными начальными условиями
Рис. 2. Расчетная схема:
1, 2 — области подачи диэлектрика; 3 — область отвода жидкости
а)
б)
численные эпюры давления жидкости на электрод, а после приложения давления к поверхности электрода — ожидаемую упругую линию электрода-проволоки, которая, по мнению авторов, отражается на поверхности прорезаемого профиля детали. Для последующих исследований наибольший интерес представляют эпюра линий потока диэлектрика, эпюра давления и эпюра распределенной нагрузки на электрод.
Эпюры для базовой модели представлены на рис. 3.
Эпюры для имеющего место на практике случая неравномерной подачи диэлектрика и при толщине заготовки 60 мм представлены на рис. 4.
Рассчитанные параметры движения потока в дальнейшем передаются в модуль прочност-
в)
Рис. 3. Эпюры для базовой модели: а — давления потока; б — линии потока; в — силы давления потока
а)
б)
в)
Рис. 4. Эпюры для случая неравномерной подачи диэлектрика: а — давления потока; б — линии потока; в — силы давления потока (в области верхней фильеры)
ного анализа для оценки прогиба электрода и учета влияния прогиба на точность изготовления бокового профиля.
Не вдаваясь в вопросы моделирования, отметим, что для случая интенсивной прокачки диэлектрика при близких давлениях (расходах
(а,Ь,<1),РЗ
Рис. 5. Графики поверхностей
жидкости) в верхней и нижней дюзах (что происходит на первых двух проходах) в канале формируются два вихря, образующих зоны повышенного давления и центральную зону пониженного давления. Эпюра давлений хорошо аппроксимируется полиномом 4-й и
Р1,П,РЗ
WflllOOK
6-й степеней или синусоидой и является симметричной относительно середины толщины заготовки.
Найденная нагрузка, будучи приложена к электроду, вызывает его упругие деформации. Часто электрод рассматривается как нерастяжимая нить, защемленная в сечениях по направляющим [2], что не вполне корректно, так как проволока непрерывно перематывается от верхней фильеры к нижней, причем тяговый ролик установлен внизу, а катушка с электродом — вверху. Для устранения колебаний эрозионные станки оснащаются сложной системой стабилизации подачи проволоки при постоянном натяжении электрода. С учетом указанных особенностей расчеты дают асимметричное решение, что подтверждается численным моделированием МКЭ.
По результатам численного моделирования были получены различные отклонения профиля нити (электрода-проволоки) для разных условий обработки, обобщенные в виде таблицы Excel.
Затем была произведена аппроксимация результатов численного моделирования. Результаты аппроксимировались для заданного вида обработки (в закрытом канале, в открытом канале и т. д.). При этом диаметр нити (электрода-проволоки) оставался постоянным, а варьировались угол наклона нити и толщина заготовки. Рассматривались случаи: равное давление жидкости в дюзах и неравномерное
давление в дюзах (расход диэлектрика в соотношении 1 : 3). В результате аппроксимации были получены различные графики поверхностей (рис. 5).
Выводы
1. В результате численного моделирования были получены различные отклонения профиля нити (электрода-проволоки) для разных условий обработки.
2. Зная отклонение электрода-проволоки, можно осуществить предварительную программную коррекцию угла наклона проволоки для компенсации погрешности обработки. Это позволяет отказаться от третьего прохода и повысить производительность обработки.
3. К положительным сторонам программной коррекции следует отнести минимум расходов, так как требуется лишь корректировать текст управляющей программы.
Литература
1. Самарский А. А., Вабищевич П. Н. Вычислительная теплопередача. М.: Едиториал УРСС, 2003. 784 с.
2. Меркин Д. Р. Введение в механику гибкой нити. М.: Наука, 1980. 240 с.
3. Немилов Е. Ф. Справочник по электроэрозионной обработке материалов. Л.: Машиностроение, 1989. 164 с.
