Регрессионный анализ проволочно-вырезной электроэрозионной обработки пакетированных заготовок Текст научной статьи по специальности «Технологии материалов»

электрофизические и электрохимические методы обработки

УДК 621.9

Регрессионный анализ

проволочно-вырезной электроэрозионной обработки пакетированных заготовок

А. М. Ханов, Т. Р. Абляз

Проведен регрессионный анализ проволочно-вырезной электроэрозионной обработки (ПВЭЭО) пакетированных заготовок и описано получение моделей, позволяющих прогнозировать показатели качества обработанной поверхности в зависимости от режимов обработки. На основе анализа получены эмпирические модели, устанавливающие взаимосвязь между условиями ПВЭЭО и показателями качества обработанной поверхности.

Ключевые слова: электроэрозионная обработка, электрод-инструмент, точность, шероховатость, погрешность.

Введение

При обработке плоских деталей сложного профиля с высокой точностью незаменима технология проволочно-вырезной электроэрозионной обработки (ПВЭЭО), позволяющей получать заготовки и детали любого профиля независимо от их прочностных характеристик и без применения дополнительной оснастки. ПВЭЭО может быть применена для одновременной обработки нескольких листовых заготовок, собранных в пакет. Таким образом, за один технологический рез удается получить несколько годных деталей. В результате повышается производительность и снижается себестоимость обработки [1—6].

Основными показателями качества обработанной поверхности после ПВЭЭО являются шероховатость обработанной поверхности, точность линейных размеров и точность формы обработанной поверхности.

В процессе ПВЭЭО электрод-инструмент находится на расстоянии (межэлектродный зазор) от обрабатываемой детали. В связи с этим точность линейных размеров получа-

емой детали зависит от рассчитанной коррекции траектории резания, которую необходимо внести в управляющую программу. Значение коррекции рассчитывают как разность номинального размера (заданного в управляющей программе) и фактического (полученного после ПВЭЭО) [2-4].

Решение вопросов, связанных с изучением ПВЭЭО пакетированных деталей является актуальной научно-технической задачей.

Цели работы — проведение регрессионного анализа ПВЭЭО пакетированных заготовок и получение моделей, позволяющих прогнозировать показатели качества обработанной поверхности в зависимости от режимов обработки.

Материалы и методы исследования

Экспериментальные исследования проведены по методу полного факторного эксперимента на двух обрабатываемых материалах с разными коэффициентами теплопроводности [7].

электрофизические и электрохимические методы обработки

Таблица 1

Уровни и интервалы варьирования факторов

Фактор Кодовое обозначение Натуральные уровни факторов, соответствующие закодированным значениям Интервал варьирования

Верхний +1 Основной 0 Нижний -1

q 3,86 3,48 3,10 0,38

X, Вт/мК X2 41 31 21 10

Н, м X3 0,12 0,066 0,012 0,054

Là

Исходные данные для проведения эксперимента:

• экспериментальные материалы — легированная сталь 65 Г по ГОСТ 14959-70 (коэффициент теплопроводности 41 Вт/мК); титан ВТ5 по ГОСТ 19807-91 (коэффициент теплопроводности 21 Вт/мК);

• толщина одной заготовки — 2 мм;

• форма заготовки — лист квадратного сечения со сторонами 100 мм;

• экспериментальное оборудование — про-волочно-вырезной электроэрозионный станок Eco Cut;

• электрод-инструмент — латунная проволока Berco Cut диаметром 0,25 мм;

• рабочая жидкость — дистиллированная вода;

• прибор измерения полученных размеров — координатно-измерительная машина (КИМ) Carl Zeiss Contura G2 с поворотной головкой RDS;

• прибор измерения шероховатости — про-филометр Mahr Perthometer S2 по ГОСТ 2789-73;

• режимы обработки — сила тока I = 2 А, напряжение U = 50 В, скорость перемотки проволоки 2 м/мин;

• скважность импульса — q = 3,86 (время включения импульса ton = 21 мкс; время выключения импульса ioff = 60 мкс); q = 3,1 (время включения импульса ton = 10 мкс, время выключения импульса toff = 21 мкс).

Выбраны основные факторы для проведения регрессионного анализа, влияющих на рассматриваемые параметры качества обработанной поверхности при ПВЭЭО:

1) скважность импульсов q;

2) коэффициент теплопроводности материала X, Вт/мК;

3) высота собранного пакета H, м;

Каждый из факторов рассмотрен на двух уровнях. Принятые в исследовании уровни факторов и их кодовые обозначения указаны в табл. 1.

Применение полного факторного эксперимента и последующего регрессионного анализа позволяет установить взаимосвязь между параметрами качества обработанной поверхности заготовок и условиями ПВЭЭО.

Результаты исследования и обсуждения

Для получения эмпирического уравнения проведен полный факторный эксперимент вида 23. Матрица планирования приведена в табл. 2.

Для проведения эксперимента из заготовок вырезаны образцы квадратного сечения со сторонами 40 мм.

Экспериментально установлено, что эмпирическое уравнение взаимосвязи параметров шероховатости обработанной поверхности с режимами ПВЭЭО имеет вид

Яа = 10-6(4,53 - 0,79д + 0,02А + 5,5Н). (1)

Таблица 2

Результаты опытов

Номер опыта X0 X1 X2 X3 X1X2 X1X3 X2X3 X1X2X3

1 + - - - + + + -

2 + + - - - - + +

3 + - + - - + - +

4 + + + - + - - -

5 + - - + + - - +

6 + + - + - + - -

7 + - + + - - + -

8 + + + + + + + +

МЕТАЛЛООБРАБОТКА

электрофизические и электрохимические методы обработки

Для анализа полученного выражения построены графики зависимости шероховатости от условий обработки (рис. 1).

Из анализа графиков следует, что шероховатость поверхности обратно пропорциональна скважности импульсов. Увеличение времени действия импульсов ton и уменьшение времени выключения импульсов приводит к снижению скважности и, следовательно, увеличению значения шероховатости обработанной поверхности. Для значения скважности 3,3 шероховатость поверхности составляет 3 мкм, при увеличении скважности до значения 3,8 шероховатость снижается до 2,7 мкм. Показано, что резание с минимальной скважностью импульсов характеризуется повышенной производительностью и повышенным износом электрода-инструмента.

При обработке материалов с низким коэффициентом теплопроводности шероховатость обрабатываемой поверхности меньше, чем при обработке материалов с более высоким коэффициентом теплопроводности. Данная закономерность связана с физической сущностью электроэрозионной обработки [1, 2]. В процессе резания выделяется большое количество тепловой энергии, и ее распределение зависит от физических свойств обрабатываемого материала. При резке заготовок с низким ко-

3,4

м 3,2

а Ч

К

I 3,0

о

3

2,8

2,6

2,4

2,2

Шероховатость Яа (д)

Шероховатость Яа (Н)

Шероховатость Иа (X)

3,0

I

3,2

3,4 3,6 3,8

Скважность д (х)

20 25 30 35 40

Коэффициент теплопроводности X, Вт/мК (♦)

0 0,02 0,04 0,06 0,08 0,1 0,12 Высота собранного пакета Н, м (•)

Рис. 1. Зависимость шероховатости обработанной поверхности от условий обработки

эффициентом теплопроводности повышается локализация тепловой энергии в зоне обработки. В результате происходит более равномерное снятие материала и формируется единичная лунка. Из анализа графиков следует, что при увеличении теплопроводности от 21 до 41 Вт/мК незначительно изменяется шероховатость (0,4 мкм).

При увеличении высоты собранного пакета увеличивается шероховатость обработанной поверхности. Характер увеличения незначительный. Объяснением изменения шероховатости может стать неравномерность распределения межэлектродного зазора в процессе резания в связи с образованием электроэрозионного шлама в канале пробоя [2—4, 6]. Чем больше площадь обработки, тем больше вероятность скопления продуктов эрозии в канале, в результате чего возникают дополнительные искровые разряды между электродом-инструментом и металлическими частицами уже удаленного материала. Дополнительные искровые разряды способствуют неравномерному формированию шероховатости обрабатываемой поверхности.

Эмпирическое уравнение погрешности формы, вызванной прогибом проволоки от исследуемых факторов, имеет вид

Д = 10-3(0,008 + 0,008д - 0,0008Х + 0,17Я). (2)

График зависимости погрешности профиля обработанной поверхности от условий обработки представлен на рис. 2.

Погрешность формы обработанной поверхности пропорциональна скважности импульсов. Увеличение времени действия импульсов и уменьшение времени выключения импульсов toff приводит к снижению скважности импульсов и значения погрешности формы. Установлено, что при обходе электродом-инструментом углов вырезаемого контура происходит их округление.

Причиной данной зависимости является сложность динамического процесса колебания электрода-проволоки. При изменении времени действия и бездействия импульсов изменяется частота прохождения импульсного разряда, что, в свою очередь, влияет на частоту колебания проволоки.

Цб

№ 3 (87)/2015

ЭЛЕКТРОФИЗИЧЕСКИЕ И ЭЛЕКТРОХИМИЧЕСКИЕ МЕТОДЫ ОБРАБОТКИ

1ЩАЛЛ00БРАБ0ТКА

ШДШ

Скважность q (х)

20 25 30 35 40

Коэффициент теплопроводности X, Вт/мК (♦) ■ 11111 0 0,02 0,04 0,06 0,08 0,1 0,12 Высота собранного пакета Н, м (•)

Рис. 2. Зависимости погрешности профиля обработанной поверхности от условий обработки

Для более точной оценки влияния времени действия импульсов на колебания проволоки необходимо провести дополнительные эксперименты.

При обработке материалов с низким коэффициентом теплопроводности погрешность формы максимальна. Данная закономерность может быть объяснена тем, что материалы с низким коэффициентом теплопроводности меньше рассеивают поступившую на их поверхность энергию от электрода-инструмента. В результате энергия может отражаться на инструмент, что приводит к его дополнительному деформированию.

Из анализа графика следует, что при увеличении высоты собранного пакета увеличивается погрешность профиля обработанной поверхности. Так как электрод-инструмент обладает малой жесткостью, при увеличении длины его рабочей части увеличивается его прогиб и, следовательно, увеличивается погрешность профиля.

Эмпирическое уравнение коррекции от исследуемых факторов имеет вид

Т = 10-3(0,04 - 0,0^ + 0,0004Х + 0,33Н). (3)

Зависимость коррекции от условий обработки представлена на рис. 3.

Коррекция обратно пропорциональна скважности импульсов. Увеличение времени действия импульсов ton и уменьшение времени выключения импульсов приводит к увеличению энергии импульсов и, следовательно, увеличению межэлектродного зазора.

При обработке материалов с низким коэффициентом теплопроводности коррекция уменьшается. Данная закономерность аналогично шероховатости связана с физической сущностью электроэрозионной обработки. При резке заготовок с низким коэффициентом теплопроводности повышается локализация тепловой энергии в зоне обработки. Таким образом, межэлектродный зазор в процессе резания имеет постоянное значение и происходит более равномерное снятие материала.

При увеличении высоты собранного пакета увеличивается значение коррекции. При обработке высоких заготовок необходимо вносить в управляющую программу большую коррекцию на инструмент. Коррекция напрямую зависит от размера межэлектродного зазора. При обработке крупногабаритных заготовок межэлектродный зазор будет изменяться по причинам возникновения дополнительных боковых разрядов, образующихся из-за плохой промывки межэлектродного пространства от продуктов эрозии.

Скважность q (х)

20 25 30 35 40

Коэффициент теплопроводности X, Вт/мК (♦) 111111 0 0,02 0,04 0,06 0,08 0,1 0,12 Высота собранного пакета Н, м (•)

Рис. 3. Зависимость коррекции от условий обработки

meta™BI^OTK)I

ЭЛЕКТРОФИЗИЧЕСКИЕ И ЭЛЕКТРОХИМИЧЕСКИЕ МЕТОДЫ ОБРАБОТКИ

Выводы

1. Получены эмпирические модели, позволяющие прогнозировать показатели качества обработанной поверхности (шероховатость, погрешность профиля, точность) в зависимости от условий ПВЭЭО (параметры импульса, высота собранного пакета, свойства обрабатываемого материала).

2. На основе модели по расчету шероховатости показано, что при обработке пакета из 30 заготовок (толщина одной заготовки 2 мм) из материала 65 Г по ГОСТ 14959-70 высотой 0,06 м на проволочно-вырезном станке ЕсоСи для получения шероховатости Да = 3,2 мкм необходимо задать режимы обработки = = 21 мкс, toff = 46 мкс.

3. Анализ модели показал, что при увеличении высоты собранного пакета с 12 мм до 120 мм шероховатость обработанной поверхности увеличивается в 1,2 раза, погрешность профиля увеличивается в 3 раза.

4. На основе полученной модели для расчета коррекции траектории резания показано, что для получения заданного размера обрабатываемой детали при назначении скважности

импульсов 3,6 в управляющую программу необходимо вносить коррекцию на траекторию резания, равную 0,04 мм.

Литература

1. Абляз Т. Р., Ханов А. М., Хурматуллин О. Г. Современные подходы к технологии электроэрозионной обработки материалов. Пермь: Изд-во Перм. нац. исслед. политехн. ун-та, 2012. 112 с.

2. Артамонов Б. А., Волков Ю. С. Анализ моделей процессов электрохимической и электроэрозионной обработки. Ч. 2. Модели процессов электроэрозионной обработки. Проволочная вырезка. М.: ВНИИПИ, 1991. 144 с.

3. Журин А. В. Методы расчета технологических параметров и электродов-инструментов при электроэрозионной обработке; дис. ... канд. техн. наук. Тула: ТГУ, 2005. 132 с.

4. Кабалдин Ю. Г., Сарилов М. Ю., Биленко С. В. Повышение устойчивости процесса электроэрозионной обработки и качества обработанной поверхности на основе подходов искусственного интеллекта. Комсомольск-на-Амуре: КнАГТУ, 2007. 191 с.

5. Серебреницкий П. П. Современные электроэрозионные технологии и оборудование: учеб. пособ. СПб.: Балт. гос. техн. ун-т, 2007. 228 с.

6. Фотеев Н. К. Управление качеством поверхности технологической оснастки при электроэрозионной обработке // Электронная обработка материалов. 1994. № 2. с. 5-7.

7. Лосев В. А. Многофакторное планирование эксперимента. Пермь, 1985. 28 с.

АО «Издательство "Политехника"» предлагает:

Справочник конструктора : Справочно-методическое пособие / Под ред. И. И. Матюшева. — СПб.: Политехника, 2006. — 1027 с. : ил. ISBN 5-7325-0552-0 Цена: 1520 руб.

Справочник конструктора, подготовленный коллективом ведущих специалистов различных отраслей, является справочно-методическим пособием для конструкторов всех категорий. В справочнике приведены рекомендации по методам конструирования в соответствии с современным техническим уровнем, требования к конструкциям по эргономике, надежности, технологичности и т. п. Излагаются методы расчета и этапы конструирования основных узлов машин — исполнительных органов, приводов, передач и несущих конструкций. Приводятся справочные данные по системам подачи жидкостей, газов, арматуре, по видам подвижных и неподвижных соединений, допускам, посадкам. Даются характеристики и основные свойства различных конструкционных материалов — сталей, чугунов, цветных металлов, пластмасс, композиционных материалов и других.

В справочник включены разделы по динамике машин, системам автоматики, конструкциям узлов электрооборудования и вопросы автоматизированного проектирования с использованием ЭВМ. В отдельном разделе даны различные справочные материалы по выполнению типовых элементов деталей и оформлению чертежей.

Принимаются заявки на приобретение книги по издательской цене. Обращаться в отдел реализации по тел.: (812) 312-44-95, 710-62-73, тел./факсу: (812) 312-57-68, e-mail: [email protected], на сайт: www.polytechnics.ru.

[28

№ 3(87)/2015