CC BY
8
УДК 621.9.048.4
В.1. НОСУЛЕНКО, В.М. ШМЕЛЬОВ, В В. ЮР'СВ
Центральноукрашський нацiональний технiчний ушверситет
ВПЛИВ ГЕОМЕТРП ТА РОЗМ1Р1В ЕЛЕКТРОДА-1НСТРУМЕНТА НА ТЕХНОЛОГ1ЧН1 ХАРАКТЕРИСТИКИ ПРОЦЕСУ РОЗМ1РНО1 ОБРОБКИ
ЕЛЕКТРИЧНОЮ ДУГОЮ
Розглянуто вплив ггдродинамгчних характеристик робочо'1р1дини в м1желектродному зазор! на електротехнолог1чн1 характеристики процесу розм1рно'1 обробки електричною дугою деталей як по внутршньому, так i зовншньому контурах за визначених точностг i якостг оброблених поверхонь. За умов, якщо геометрiя та розмiри електрода-тструмента розглядати останнi в послiдовностi, що вiдповiдають напрямку руху робочо'1рiдини в мiжелектродному зазорi i коли розргзняють: переднш кут а, радiус закруглення робочо'1 кромки r, заднш кут р, радiус закруглення задньо! кромки R.
Ключовi слова: електрод-тструмент, електрична дуга, розмiрна обробка електричною дугою, схеми формоутворення, робоча рiдина.
В.И. НОСУЛЕНКО, В.Н. ШМЕЛЕВ, В.В. ЮРЬЕВ
Центральноукраинский национальный технический университет
ВЛИЯНИЕ ГЕОМЕТРИИ И РАЗМЕРОВ ЭЛЕКТРОДА-ИНСТРУМЕНТА НА ТЕХНОЛОГИЧЕСКИЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ ПРОЦЕССА РАЗМЕРНОЙ ОБРОБОТКИ
ЭЛЕКТРИЧЕСКОЙ ДУГОЙ
Рассмотрено влияние гидродинамических характеристик рабочей жидкости в межэлектродном зазоре на электротехнологические характеристики процесса размерной обработки электрической дугой деталей как во внутреннем, так и внешнем контурах при определенных точности и качества обработанных поверхностей. При условии, если геометрия и размеры электрода-инструмента рассматривать последние в последовательности, соответствующих направлению движения рабочей жидкости в межэлектродном зазоре и когда различают: передний угол а, радиус закругления рабочей кромки r, задний угол р , радиус закругления задней кромки R.
Ключевые слова: электрод-инструмент, электрическая дуга, размерная обработка электрической дугой, схемы формообразования, рабочая жидкость.
V.I. NOSULENKO, V.N. SHMELYOV, V.V. YURIEV
Central Ukrainian National Technical University
THE INFLUENCE OF GEOMETRY AND SIZE OF ELECTRODE-TOOL ON TECHNOLOGICAL CHARACTERISTICS OF THE PROCESS OF DIMENSIONAL PROCESSING BY ELECTRIC ARC
The radius of curvature of the rear edges R.pThe influence of the hydrodynamic characteristics of the working fluid in the interelectrode gap on the electrotechnical characteristics of the process of dimensional processing by electric arc of parts both internal and external contours under certain precision and quality of machined surfaces. If the geometry and dimensions of the electrode-tool to examine the last in the sequence corresponding to the direction of movement of the working fluid in the interelectrode gap, and when there are: rake angle a, the radius of curvature of the working edge r, rear edges р, he radius of curvature of the rear edges R.
Keywords: electrode-tool, electric arc, dimensional electric arc machining, formation circuits, working
fluid.
Постановка проблеми
Розм1рну обробку електричною дугою (РОД) [1] деталей по принципу прошивання за умов 1х отримання як по внутршньому, так i зовшшньому контурах здшснюють за ввдомими технолопчними схема формоутворення [2] та з використанням електродiв-iнструментiв (Е1) з прямою шд 90° робочою кромкою. Проте така конструкщя Е1 не забезпечуе необхвдну яшсть обробки поверхш заготовки.
Аналiз останшх дослщжень i публжацш
Як вщомо [1], технолопчш характеристики процесу (продуктившсть, яшсть оброблено! поверхш, точшсть обробки, стшшсть Е1) визначаються перш за все силою технолопчного струму та динашчним тиском потоку робочо! рщини. Для реалiзацi! процесу РОД деталей необхвдно описати особливосл пдродинамжи потоку робочо! рщини в м1желектродному зазорi (МЕЗ) та
електротехнолопчш характеристики процесу в умовах конкретних технологш i на цш основi розробити конструкцп Е1 (геометрiю та виконавчi розмiри), технологiчнi схеми формоутворення та визначити режими обробки.
Формулювання мети дослщжень
Для забезпечення необхщно! якосп оброблено! поверхнi треба забезпечити рiвномiрну течiю робочо! рвдини в будь-якш точцi МЕЗ. Ввдповвдно до цього метою дано! роботи е розробка геометри Е1, що забезпечуе рiвномiрну течш робочо! рiдини в МЕЗ.
Дана мета реалiзуеться за рахунок вирiшення наступних задач:
- дослвдження гiдродинамiки потоку робочо! рiдини в МЕЗ;
- розробка конструкцп Е1;
- дослвдження фiзико-технологiчних характеристик процесу;
- визначення оптимально! геометрi! Е1.
Викладення основного матер1алу досл1дження
Як ввдомо [1], енергетичнi характеристики дуги в умовах РОД, а отже i технолопчш характеристики процесу регулюються легко, плавно i в широкому дiапазонi за рахунок змiни динашчного тиску потоку та струму обробки. При цьому фiзична модель процесу РОД описуеться простим сшввщношенням:
У = кГ Раъ (1)
де у - будь-який технолопчний показник (характеристика) процесу, наприклад, продуктившсть, шорстшсть, глибина зони термiчного впливу i iнше; к - коефiцiент розмiрностi;
I - сила струму, А, приймаеться в межах вiд дешлькох ампер до дек1лькох тисяч ампер, визначае продуктившсть обробки i таким чином, по суп, вiдображае шльшсну сторону процесу;
Рс1 - динамiчний тиск потоку робочо! рвдини, Па, вибираеться в межах вiд 1.. .2 кПа до 1МПа i бшьше, визначае як1сну обробку (шорстк1сть, глибину зони термiчного впливу, точнiсть) i таким чином, по сутi, вщображае як1сну сторону процесу;
а i Ъ - показники степенi, рiзноманiтнi для рiзних технологiчних характеристик:
Динамiчний тиск Р^ е функщею статичного тиску робочо! рщини на входi в МЕЗ, пдрамчного опору траси евакуацi! продуктiв ерозп в межах МЕЗ та мюцевих гiдравлiчних опорiв.
В цьому зв'язку, розглянемо запропоновану конструкцiю Е1 (рис.1) i !! вплив на пдродинам^ процеса в послiдовностi, що ввдповщае напрямку руху робочо! р1дини в МЕЗ, а саме: переднш кут а, ращус закругления робочо! кромки г, задшй кут Д рад1ус закругления задньо! кромки Н.
- Рюша
Рис. 1. Електрод-1нструмент
Робоча рiдина подаеться в напрямку ввд периферi! Е1 до його центру. Нахил бiчно! поверхнi тд кутом а забезпечуе течiю робочо! рвдини в звужуючу щiлину, що стабшзуе потiк та забезпечуе ламшарний рух робочо! рiдини. Для забезпечення стабшьносп потоку безпосередньо на робочш кромцi електрода-iнструмента, передбачають радiус закруглення Я, що попереджае в1дрив потоку ввд стiнки Е1 i забезпечуе стабшьшсть процесу, вiдповiдну як1сть оброблено! поверхш, а саме шорстк1сть та регульовану зону термiчного впливу. В напрямку течп робочо! р1дини ввд периферi! до центра Е1 вщбуваеться звуження потоку робочо! р1дини, яке призводить до змiни швидкостi потоку по довжиш
торцевого МЕЗ, що викликае HepiBHOMipHy шорсткють торцево! noBepxHi заготовки. Для вирiвнювання швидкосп потоку в торцевому МЕЗ передбачають нахил робочо! кромки Е1 в межах кута ß.
Якщо враховувати, що стабшьшсть Pd - це наслщок нерiвномiрного руху робочо! рвдини в межах МЕЗ, то його порушення сприяють: нерiвномiрнiсть подачi робочо! рщини насосом, збiльшення траси евакуаци продyктiв ерозй' в межах МЕЗ, наявнють мiсцевих опорiв, зменшення зазору, змши сили струму. Отже, зменшення дп зазначених факторiв будуть сприяти пiдвищенню стабiльностi процесу, а отже i пiдвищенню якостi обробки.
Визначимо та опишемо вплив геометрй' та виконавчих розмiрiв Е1 з точки зору оптимальних гiдродинамiчних характеристик потоку робочо! рвдини, за умов забезпечення рiвномiрного руху робочо! рвдини, що досягаеться уникненням пyльсацiй швидкостi в турбулентному потош, нерiвномiрностi тиску та ошгашзаци технологiчних характеристик.
За зазначених умов (рис. 1) запишемо для цього рiвняння Бернyллi для перерiзiв I-I на входi в МЕЗ i перерiзi II-II на виходi з МЕЗ:
р _ er Pvk , 1 11 ,Pvk Pvk , i l3 . Pv£ ¿5 P^2 Pv£
де Л1, Л3, Ä5 - коефiцiент опору на довжиш вiдповiдно!' траси, 11,13,15 - довжина вiдповiдно! траси, м, dt = D0 - d = 28 - пдравл1чний дiаметр кольцевого зазору, м, 8 - одностороннш МЕЗ, м, v{ та vk - швидк1сть потоку на ввдповщних дiлянках траси, м/с, £х - коефiцiент мiсцевого опору на входi в зазор, £пз, £пв -коефiцiент мiсцевого опору на поворот^ £вих - коефiцiент мiсцевого опору на виходi з зазору.
Розглянемо особливостi втрат тиску на окремих донках l1, l2, l3, l4, l5, траси течй' робочо! рвдини.
На початку процесу (рис.2), коли Е1 заглибився в заготовку, вихроутворення е основним джерелом мiсцевих втрат тиску на входi потоку в МЕЗ. Вихрова зона в МЕЗ може бути суттево зменшена, або зовам вщсутня, коли кромки електродiв плавно скруглеш Мiсцевi втрати тиску на входi в МЕЗ можна розрахувати за формулою:
£ — pQ2 (3)
2nkD2S2 (3)
де £вх - коефiцiент мiсцевого гiдравлiчного опору на входi потоку в МЕЗ [4. 93...118]; Q - витрати робочо! рвдини, м3/с; D - зовнiшнiй дiаметр електрода-iнстрyмента, мм; р - густина робочо! рiдини, кг/м3; 8 - \i¡желсктродний зазор, мм.
Рис. 2. Вихрова зона
Дшянка li (рис. 1) являе собою одностороннш зазор 5, для забезпечення стабтного процеса i рiвномiрного руху робочо! рвдини доцiльно передбачити нахил Е1 шд кутом а, який мае складати 0°30...1° [3]. За цих умов змшне значения коефщента гiдравлiчного опору в боковому зовшшньому МЕЗ розраховуеться за формулою [3. с. 245.252]:
де Хбв - лiнiйний коефщент гiдравлiчного тертя:
Ьз —
¿63 Ii
~'г(бз)
s6sQ
Убз°г(бз) Q
8 бз - бiчний зовшшнш мiжелектродний зазор, мм;
v - середня швидк1сть потоку робочо! рщини в МЕЗ, м/с;
D г(бз) - змшне значення гiдравлiчного дiаметрy бокового зовнiшнього МЕЗ, м:
^г(бз) — 2&бз ,
(4)
(5)
(6)
Убв -змiнне значення швидкостi в боковому зовшшньому МЕЗ, м/с;
Дшянка l2 (рис. 1), являе собою скруглення поворота радiyсом R > 0,5.1мм, який попереджае вiдрив потоку ввд стiнки Е1 i забезпечуе стаб№ний процес та вiдповiднy як1сть оброблено! поверхнi. За
96V
цих умов змшне значения коефщента гiдравлiчного опору при зовшшньому поворот робочо! рвдини розраховуеться за формулою [4. с. 257...262J:
= , (7)
де А1 - коефщент, що враховуе вплив кута повороту потоку робочо! рвдини в МЕЗ 9 (рис. 4);
Bi- коефщент, що враховуе вплив ввдносного радуса закругления (r/5) (рис. 5);
Q- коефiцiент, що враховуе вiдносну видовжешсть поперечного перерiзу. Для плоских щiлин складае 1.
Ai 1,2 1,3
1,4
*
0 = 90°
О 20 40 60 80 100 120 140 6° 180
Рис. 4. Вплив кута повороту потоку робочоТ рвдини в МЕЗ 0
Рис. 5. Вплив вщносного рад1уса закруглення (г/б)
Дшянка 13 (рис. 1), приймаемо до уваги, що в напрямку руху робочо! рiдини ввд периферii до центру Е1 робоча рвдина зб№шуе швидк1сть, що в свою чергу порушуе рiвномiрну течiю робочо! рвдини, створюе турбулентний рух робочо! рщини, що призводить до нерiвномiрноi' шорсткосп поверхнi заготовки. Для цього необхщно збiльшити зазор а напрямку руху робочо! рвдини за умов забезпечення рiвномiрноi швидкостi робочо! рвдини в МЕЗ, для чого передбачають на торш Е1 нахил торцево! поверхш Е1 в межах кута ^ = 0... 5°. За цих умов змiнне значения коефщента гiдравлiчного опору при зовшшньому поворот робочо! рiдини розраховуеться за формулою [4. с. 275.. .298]:
г _ К _ 12пу(р-а)2
?т огт (гд^/а ' ( )
де Хт - змшне значення лiнiйного коефiцiента гiдравлiчного тертя у торцевому МЕЗ. Для визначення закону змши даного коефщента оцшимо режим течii робочо! рвдини у торцевому МЕЗ:
(9)
96V
X = — = .
Re ^т'^г(т)
Ог(т) - змшне значення гiдравлiчного дiаметру торцевого МЕЗ, м:
^г(т) =
(10)
ё - внутрiшнiй дiаметр електрода-iнструмента,мм; Яе - змiнне значення числа Рейнольда в торцевому МЕЗ; Ут - змшне значення швидкосп в торцевому МЕЗ, м/с; д т - змiнне значення торцевого МЕЗ, м.
Дшянка 14 (рис. 1), при поворот робочо! рщини з торцевого в бiчний внутршнш МЕЗ виникають мiсцевi втрати тиску, як1 обумовленi мiсцевим порушенням нормально! течи робочо! рщини, iнерцiйним
вщривом вщ поверхонь Е1, з подальшим вихроутворенням в мiсцях вiдриву. В цьому випадку доцiльно передбачити радiус закруглення г, який доцiльно прийняти в межах 5.10 мм в свою чергу збереже постшну швидк1сть робочо! рiдини на цiй дiлянцi. За цих умов змшне значення коефщента гiдравлiчного опору при внутрiшньому поворот робочо! рвдини розраховуеться за формулою [4. с. 257.262]:
£ш=А1-В1-С1 (11)
Враховуючи масштаби поперечного перерiзу потоку, який являе собою плоску щiлину, висота яко! вiдповiдае мiжелектродному зазору i знаходиться в межах 0,04. 0,12 мм, радус закруглення такого ж порядку практично не впливають на експлуатацшш якостi деталi, а в деяких випадках навiть б№ш доцiльнi, нгж гостра кромка.
Дшянка 15 (рис. 1), являе собою цилiндричний к1льцевий МЕЗ, втрати тиску робочо! рвдини на як1й пов'язаш з гiдравлiчним опором в канал^ що розраховуеться з формулою [4. с. 275.298]:
= ^ = , (12)
Ог(к) Q
де Хк - коефiцiент гiдравлiчного тертя в каналi Е1:
^ _ 64V _ 32пу^2йВ6в К Ук'Ог(к) Q ( )
Бг(к) - змшне значення гiдравлiчного дiаметру каналу Е1, м;
Ог(к) = 2^2Л5бв, (14)
д к - змшне значення бокового внутршнього МЕЗ, м; Ук - швидк1сть потоку робочо! рвдини в каналi Е1, м/с.
На виходi робочо! рiдини з МЕЗ ввдбуваеться раптове розширення потоку робочо! рвдини i виникають так зваш втрати на «пдрамчний удар». Цим явищем пояснюеться мiсцевi втрати тиску на виходi потоку з МЕЗ, яш аналогiчно iншим мюцевим втратам, враховуються ввдповвдним коефiцiентом пдрамчного опору при раптовому розширенi. Коефщент гiдравлiчного опору в цьому зв'язку визначаеться за формулою [4. с. 56.90]:
I = (15)
^вих 2^252 (15)
Для визначення впливу геометрi! Е1 на яшсть оброблено! поверхиi та дослiдження впливу шших змiнних факторiв на показники процесу проведено експериментальнi дослвдження в рамках яких побудовано математичнi моделi процесу РОД. В рамках якого на пiдставi апрiорноi iнформацii були вщбраш три фактори, як1 впливають на фiзико-технологiчнi характеристики даного процесу [1]:
- сила технолопчного струму I , А;
- статичний тиск робочо! рщини на входi в МЕЗ Р^ , МПа;
- заднiй кут
1нш параметри процесу РОД були зафжсоваш на наступних постiйних рiвиях:
- напруга на електродах 30 В;
- поляршсть обробки - зворотня;
- склад робочо! рiдини: масло iндустрiальне 20А ГОСТ 20790-75 - 50% ; гас освилювальний ГОСТ 4953-68 - 50%;
- матерiал ЕЗ - сталь 45;
- матерiал Е1 - вуглеграфiтовий матерiал марки МПГ - 7 ТУ 48-23-73.
Для дослщження техиологiчних характеристик процесу РОД деталей застосовано експериментальний пристрш (рис. 6).
Для визначення фiзико-технологiчних характеристик процесу РОД використано математичнi методи планування експерименту, що дало можливють отримати деяк1 теоретичш уявлення про фiзичний механiзм процесу i оцiнити теоретичнi передумови шльшсно.
Продуктивнiсть обробки. На рис. 7 показано стутнь впливу на продуктившсть М обробки деталей, за таких значень змшних факторiв: сили технолопчно струму I = 100.400 А, статичного тиску Ps = 0,7.1,5 МПа, робочо! напруги и = 27 В, торцевого кута в = 0.5°.
Рiвияння регресi!' для продуктивносп обробки М мае вигляд:
у(М) = 0,62 + 1,15 х1 + 0,19 Х2 - 0,09 Х3 (16)
Рис. 6. Експериментальний пристрш для РОД деталей графгговим Е1: 1 - електродотримач; 2 - графгтовий Е1; 3 - деталь; 4 - пристрш для кршлення деталi
Р = 0,5
Рис. 7. Вплив змшних факчор1в на продуктивнiсть обробки М
Вiдповiдно математична модель продуктивностi процесу М, мм3/хв:
М = 4,1611'15Р-0'09р0'19
5500 Л/, мяг/х* 4500
3500
2500
1500
500
р-\ -
(3 = 0
100
200
300
1,А
400
Рис. 8. Залежнкть продуктивное^ М ввд заднього кута в та сили технолопчного струму I
Шорсткють оброблено! поверхш. На рис. 9 показано стутнь впливу основних технолопчних характеристик процесу на шорсткють оброблено! поверхш Яа деталей.
Р1вняння регреси для шорстк1сть оброблено! поверхш Яа мае вигляд:
у(Да) = 0,15 + 0,41 х1 - 0,15 х2 + 0,48 хЗ (18)
Р = 0,5
Рис. 9. Вплив змшних факч ор1в на величину шорсткостi оброблено'1 поверхнi Яа
В1дпов1дно, математична модель шорсткосп, мкм:
Да = 1,411°'41Р5-0Д5^
0,15 д0,48
(19)
35
Яа, мк.ч 30
25
20
15
10
5
0 = 5
II N V—""
\__
100
200
300
1,А
400
Рис. 10. Залежшсть шорсткосп оброблено'1 поверхш Яа ввд заднього кута в та сили технолопчного струму I
Лшшний знос Е1. На рис. 11 показано стутнь впливу основних технолопчних характеристик процесу на ввдносний лшшний знос Е1 у.
PÍBHflHHfl регреси для вщносного лiнiйного зносу Е1 у мае вигляд: v(y) = -0,58 + 0,33 xl + 0,25 х2 - 0,58 хЗ
(20)
Р = 0,5
Рис. 11. Вплив змшних факч ор1в на в1дносного лшшного зносу Е1 у
Вiдповiдно, математична модель вiдносного лiнiйного зносу Е1 у мае вигляд, %:
Y = 0,2610'33Р°'25^-0'58
1,9
(21)
Т.%
1,6
1,3
0,7
0,4
Р = 5Ч
Р = 3Ч
_____
-----
100
200
300
/, А
400
Рис. 12. Залежшсть в1дносного лшшного зносу Е1 у в1д заднього кута в та сили технолопчного струму I
Мiжелектродний зазор. На рис. 13 показано стутнь впливу основних технолопчних характеристик процесу на величину м1желектродного зазору д.
Рiвняння регресй' для величини м1ж електродного зазору 5 мае вигляд:
v(S) = -1,7 + 0,27xl - 0,29 x2 + 0,56 хЗ (22)
Р = 0,5
Рис. 13. Вплив змшних (фактодлв на величину м1желектродного зазору б
Вщповщно, математична модель величины мiжелектродного зазору 5 мае вигляд, мм:
0,08 0,07
0,06
0,05
0,04
0,03
0,02
г = 0,00710,2 7Р-0'2 9 @0'56
(23)
[3 = 5.
р = зч р = о
100
200
300
1.А
400
Рис. 14. Залежшсть мiжелектродного зазору б в1д заднього кута в та сили технолопчного струму I
Висновоки
На шдстаы теоретичних i експериментальних дослiджень розглянуто влив геометрп та розмiрiв електрода-шструмента на гiдродинамiчнi характеристики робочо! рщини в МЕЗ i ввдповвдно на елекгротехнолопчш характеристики процесу РОД, в умовах конкретних технологш i на цш основi описано оптимальнi геометрiя та виконавчi розмiри Е1, яю складають: переднiй кут а = 0°30'.. .1, радiус закругления робочо! кромки г = 5.10 мм, заднш кут р= 0.5°, радiус закругления задньо! кромки г =0,5.1 мм.
Список лггератури
1. Носуленко В.И. размерная обработка металлов стационарной электрической дугой: Дис. канд. техн. Наук: 05.03.04. - Кировоград, 1977. - 202 с.
2. Чумаченко О. С. Розмiрна обробка електричною дугою листових деталей: автореф. дис. на здобуття наук, ступеня канд. техн. наук: спец. 05.03.07.. - Ки!в, 2002. - 20с.
3. Пат. 17685 Укра!на, МПК В 23 К 9/00. Електрод-шструмент для розмiрно! обробки електричною дугою отворiв / В. I. Носуленко, В. В. Юр'ев, А. С. Пархоменко (Укра!на). - № 110775/иА; Заявл. 25.03.2016; Опубл. 25.10.2016, Бюл. № 20.
4. Идельчик И.Е. Справочник по гидравлическим сопротивлениям. - М.: Машиностроение, 1975. -559 с.
