CC BY
49
6. http://www.vetki.ru/vetki-se/18.html
R.V. Kuvshinov
THE TECHNOLOGY OF MANUFACTURE OF ELECTRODES-TOOLS WITH MICROELEMENTS
The technologies of obtaining electrodes-tools with microelements on the working part for micro-electro-discharge machining were developed and implemented as a result of the scientific research.
Key words: electrode-tool, miniaturization, electro-discharge machining, electrolytic deposition, the working part.
Получено 07.02.12
УДК 621.9.047
П.А.Бадалов, асп., +79101546991, bk919@bk.ru (Россия, Тула, ТулГУ)
ВЛИЯНИЕ ЭВАКУАЦИОННЫХ ПРОЦЕССОВ НА ПАРАМЕТРЫ МИКРОЭЛЕКТРОЭРОЗИОННОЙ ОБРАБОТКИ
Приведены результаты исследования влияния процессов эвакуации продуктов микроэлектроэрозионной обработки на точность и производительность. Разработаны рекомендации по получению глухих кольцевых микропазов в труднообрабатываемых материалах методом микроЭЭО.
Ключевые слова: электрод-инструмент, эвакуационные процессы, микроЭЭО, микрообработка, электроэрозионная обработка.
Введение. Существует огромная потребность в производстве микроэлементов и микроструктур в труднообрабатываемых материалах [1]. Учитывая преимущества бесконтактного и термического воздействия процесса микроэлектроэрозионной обработки (микроЭЭО), принято считать микро-ЭЭО эффективным методом обработки для изготовления микрообъектов [2]. Поскольку процесс микроЭЭО основан на термоэлектрической энергии между электродом-заготовкой и электродом-инструментом, в связи с миниатюризацией обрабатываемых объектов необходимо ограничивать энергию, вводимую в межэлектродный промежуток (МЭП), что, в свою очередь, приводит к его уменьшению. Так как разряд происходит в межэлектродном промежутке, который составляет 10...50 мкм и сопоставим с размером обрабатываемых микроэлементов на поверхности 50.200 мкм, то удаление продуктов эрозии и парогазовой среды, образующихся в процессе плавления и испарения в зоне обработки при мик-роЭЭО, является затруднительным и требует детального изучения. На ос-
57
нове анализа процессов, происходящих в межэлектродном промежутке, требуется оценить влияние условий эвакуации продуктов эрозии на точность и производительность микроЭЭО.
Постановка задачи исследования. Из анализа литературы известно, что микроЭЭО имеет высокую точность при обработке полостей штампов и пресс-форм и является эффективной технологией по производству микрокомпонентов на поверхности, размеры которых меньше 100 мкм [3,4]. Несмотря на то, что микроЭЭО похожа на основную мак-роЭЭО, где механизм удаления материала основан на электротепловых процессах, которые происходят в канале разряда через диэлектрик, существуют дополнительные ограничения, накладываемые на процесс, которые разграничивают их практическое применение.
Значительная разница между микро- и макроЭЭО наблюдается в размерах плазменного канала. В макроЭЭО размер плазменного канала больше на несколько порядков, чем при микроЭЭО. Так как радиус канала возрастает с увеличением времени воздействия импульса, размер плазмы может быть изменен за счет уменьшения длительности импульса.[5].
Особенно важно знать влияние гидродинамических процессов при электроэрозионной микротрепанации, например, глухих пазов, шириной не более 100...200 мкм.
Целью настоящей работы являются оценка влияния эвакуационных процессов при микроэлектроэрозионной обработке замкнутых глухих кольцевых микропазов, а также разработка рекомендаций по уменьшению влияния негативных факторов, обусловленных спецификой процесса мик-роэлектроэрозионной обработки.
Результаты исследования и их обсуждение. Под действием высокой температуры в зоне канала разряда происходит почти мгновенное испарение диэлектрической жидкости, а также часть материала электрода-заготовки (ЭЗ) моментально переходит из твердого состояния в газообразное, что приводит к образованию парогазовой среды, которая воздействует как на электрод-инструмент (ЭИ), так и на рабочую жидкость в МЭП.
Ввиду малого МЭП и размеров обрабатываемых элементов поиск путей удаления продуктов процесса микроЭЭО является одной из первостепенных задач наряду с разработкой новых высокочастотных источников питания для микроЭЭО [6]. С точки зрения повышения производительности целесообразно, чтобы все импульсы производили съем металла. Однако, в условиях затрудненной эвакуации продуктов эрозии из зоны обработки часть твердых токопроводящих частиц оседает на поверхности заготовки, что приводит к повторному расплавлению этих частиц, не производя съема металла с заготовки. Для уменьшения количества разрядов,
непроизводящих съем металла, необходимо улучшить условия эвакуации продуктов эрозии из МЭП.
Для определения степени воздействия и влияния парогазовой среды и гидравлических процессов, происходящих в области обработки при малых размерах получаемых микроэлементов (100...200 мкм), и сопоставимым с ними межэлектродным промежутком при микроЭЭО, была предложена модель гидравлического движения рабочей жидкости (РЖ), вызванного образованием парогазовой среды в зоне обработки при трепанации микропазов для различных схем микроЭЭО.
С учетом предворительно полученных экспериментальных данных произведено компьютерное моделирование влияния парогазовой среды на гидравлические потоки в зоне обработки, основанное на методе конечных элементов в программной среде SolidWorks Simulation.
В процессе моделирования были приняты следующие ограничения и вводные параметры.
1. Рабочая жидкость находится под атмосферным давлением, технические характеристики межэлектродной среды соответствуют маслу для электроэрозионной обработки TOTAL DIEL MS 5000 [7].
2. В качестве состава парогазовой среды приняты характеристики атмосферного воздуха. Скорость образования потока V = 5,310-8 м3/с (полученная экспериментальным методом в процессе трепанации глухого микропаза шириной 170.180 мкм и окружностью диаметром 5,5 мм).
3. Материал электрода-инструмента - медь, электрода-заготовки -нержавеющая сталь Х18Н10Т.
4. Шероховатость поверхности ЭИ и заготовки равна 5 мкм.
5. Рассматриваемый временной промежуток составляет 300 с.
Для анализа воздействия парогазовой среды, образующейся в процессе микроЭЭО, рассмотрены три схемы обработки, представленные в табл. 1.
Для реализации предложенных конструктивных схем электроэрозионной микротрепанации глухих пазов разработаны конструкции электродов-инструментов, представленные в табл. 2. Электроды-инструменты были изготовлены методом электролитического осаждения меди на оправку с последующим их снятием с помощью специальных съемников, т.к. толщина стенки ЭИ не превышала 50.60 мкм.
На рис. 1 приведены примеры результатов моделирования гидравлических процессов при различных схемах микроЭЭО глухих пазов малой ширины, вызванные образованием парогазовой среды в зоне обработки. Размер межэлектродного промежутка составляет 50 мкм, что соответствует среднему значению МЭП при экспериментальных исследованиях.
Таблица 1
Схемы трепанации глухого микропаза кольцевой формы методом микроЭЭО
№
Схема микроЭЭО
Описание
Схема ЭЭО характеризуется замкнутой полостью ЭИ, отсутствием дополнительных каналов для эвакуации продуктов электроэрозионной обработки. 1 - ЭИ; 2 - РЖ; 3 - заготовка
2
Схема ЭЭО характеризуется наличием дополнительного канала в ЭИ для эвакуации парогазовой среды из зоны обработки.
1 - ЭИ; 2 - РЖ; 3 - заготовка; Канал 1 - вентиляционное отверстие
Схема ЭЭО характеризуется наличием в ЭИ дополнительного канала 1 для эвакуации парогазовой среды из зоны обработки и канала 2 для обеспечения циркуляции РЖ в зоне обработки. 1 - ЭИ; 2 - РЖ; 3 - заготовка; канал 1 - вентиляционное отверстие; канал 2 - отверстие для циркуляции РЖ
1
3
Таблица 2
Результаты микроЭЭО глухих кольцевых пазов при реализации различных конструктивных схем ЭИ
№ Схемы микроЭЭО
Варианты ЭИ
Глухие кольцевые пазы диаметром 5,5 мм, _полученные при микроЭЭО_
1
Время обработки, мин
3
5
7
10
2
1
3
Рис. 1. Результаты моделирования гидравлических потоков при микроЭЭО: а - ЭИ с замкнутым контуром (схема № 1); б - ЭИ с наличием канала эвакуации парогазовой среды (схема № 2)
Анализ результатов моделирования показал, что при обработке ЭИ с замкнутой внутренней полостью без возможности удаления парогазовой среды наблюдалось скопление газов во внутренней полости ЭИ. Поток выделяемых газов разделяется и только 30 % объема устремляется во внутреннюю полость ЭИ. В процессе накопления парогазовой среды во внутренней полости ЭИ происходит нарастание давления, что приводит к его увеличению по сравнению с давлением в общем объеме рабочей жидкости за наружной поверхностью ЭИ (см. рис. 1,а). Из-за малого МЭП, скопившаяся внутри кольцевой полости микропаза, взвесь шлама не может быть самостоятельно удалена, что приводит к снижению точности и производительности обработки, что наиболее явно проявляется в процессе заглубления ЭИ в тело заготовки.
Моделирование гидравлических процессов в зоне обработки, вызванных образованием парогазовой среды в процессе микроЭЭО, и экспериментальные исследования с использованием вентиляционного канала для отвода образуемой в процессе обработки парогазовой среды (см. табл. 1, схема 2) указывают на выравнивание давления во внутренней и наружной полостях ЭИ. Объем газа, проникающий во внутреннюю полость ЭИ, увеличивается до 2/3 общего объема выделяемой газовой среды и удаляется через вентиляционный канал (см. рис. 1,б).Такое перераспределение потоков приводит к увеличению точности и глубины микропазов при микроЭЭО на 7.15 % (рис. 2). Кроме того, как показали результаты экспериментов, наличие вентиляционного канала снижает объем шлама, накапливаемого во внутренней полости кольцевого паза.
Данные утверждения были подтверждены экспериментальными данными (рис. 2). Так, после окончания обработки и отвода ЭИ от заготовки при применении схемы № 1 (см. табл. 1, схема 1), несмотря на повышенное давление во внутренней полости ЭИ, наблюдалось большое скопление взвеси углеводородов, частиц металла и других компонентов шлама, образующих густую массу с жировыми и смолистыми отложениями с адгезионными свойствами. Покрытие поверхностей электродов и проникновение в МЭП шлама приводят к снижению производительности микро-электроэрозионной обработки, а в некоторых случаях - к полному её прекращению.
Использование дополнительного канала для обмена рабочей жидкости из внутренней полости ЭИ с общим объемом РЖ в ванне с одновременным удалением парогазовой среды приводит к дальнейшему увеличению производительности в сравнении с обработкой замкнутым ЭИ и обеспечению точности обработки на уровне применения схемы обработки № 2 с вентиляционным каналом.
Однако можно предположить, что интенсивный обмен рабочей жидкости в зоне обработки (осуществление прокачки под давлением РЖ) позволит увеличить точность и производительность обработки по сравне-
нию со схемой удаления парогазовой среды. Однако реализация прокачки РЖ затруднена из-за малой жесткости ЭИ, малого МЭП и сложности подвода РЖ в зону обработки и требует дополнительного технологического оснащения.
Для практического подтверждения результатов моделирования создана экспериментальная установка, позволяющая производить обработку, с использованием приведенных схем эвакуации парогазовой среды и шлама из зоны обработки и соответствующие электроды-инструменты, представленные на рис. 3 и в табл. 2.
Рис.2. Результаты трепанации глухих микропазов при различных схемах микроЭЭО: а - зависимость изменения ширины паза от времени обработки; б - зависимость изменения глубины паза от времени обработки
Рис.3. Результаты микроЭЭО глухого кольцевого микропаза, полученного по схеме 3 обработки (см. табл. 1): а - электрод-инструмент; б - микропаз глубиной Н = 400 мкм
Кроме того, экспериментально было установлено, что с улучшением условий эвакуации продуктов микроЭЭО (схемы 2 и 3) и повышением объема удаленного материала электрода-заготовки происходит увеличение линейного износа ЭИ. Для снижения износа ЭИ необходимо применение специализированных режимов микроЭЭО (наносекундных, высокочастотных источников питания) и специализированного прецизионного оборудования, позволяющего их реализовать [6].
Выводы. Таким образом, анализ результатов моделирования и экспериментальные исследования показали, что наибольшее влияние на точность и производительность при микроЭЭО оказывает процесс удаления парогазовой среды из зоны обработки. Предложена и реализована технология микроЭЭО для трепанации замкнутых глухих кольцевых микропазов в труднообрабатываемых материалах за счет использования различных конструктивных схем электрода-инструмента.
Работа выполнена в рамках Государственного задания 4312ГЗ на 2012-2014 гг.
Список литературы
1. Бадалов П.А., Сундуков В.К. Исследование технологических показателей для различных схем микроэлектроэрозионной обработки // Всероссийская научно-техническая конференция «Высокие, критические электро- и нанотехнологии - 2011», г. Тула 26 октября 2011 г.
2. Бадалов П.А., Кувшинов К.В., Курочкин А.И. Микроэлектроэро-зионная обработка трубчатыми электродами // X Всероссийская научно-техническая конференция студентов, магистрантов, аспирантов и молодых ученых «Техника XXI века глазами молодых ученых и специалистов». Ту-
64
ла, 2010. С 375-384.
3. Katz Z., Tibbles C.J. Analysis of micro-scale EDM process // The International Journal of Advanced Manufacturing Technology. Vol. 25, Numbers 9-10 (2005). P. 923-928.
4. Statistical Analysis on electrode wear in EDM of tool steel DIN
I.2714 used in forged dies / H. Zarepur [et. al.] // Journal of Material Processing Technology. 2007. P. 711-714.
5. A Review of Micro-EDM / S. Mahendran [et al.] // Proceedings of the International MultiConference of Engineers and Computer Scientists. 2010. Vol
II. Hong Kong.
6. Курочкин А.И. Наносекундные генераторы для электроэрозионной обработки // ^временная электротехнология в промышленности России (молодежные инновации): сборник трудов научно-технической конференции. Тула: ТулГУ, 2010. С.65.
7. http://www.total-oil.ru/by type/tehno/?cat=249&gid=315
P.A.Badalov
EFFECT OF EVACUATION PROCESSES ON THE PARAMETERS IN MICRO ELECTRICAL DISCHARGE MACHINING
The results of investigations of the influence of the evacuation process products micro-electrical discharge machining for accuracy and performance аm presented. The recommendation for processing the deaf ring microgrooves in hard materials by micro-EDM is developed.
Key words: electrode-tool, evacuation processes, micro-EDM, micro-machining, electrical discharge machining.
Получено 07.02.12
