книги / Технологии и оборудование механической и физико-технической обработки

кающих в зоне термического влияния структурных изменений и других факторов. Под их воздействием происходит пластическая деформация поверхностного слоя обрабатываемой заготовки, в ряде случаев выходящая за пределы зоны термического влияния.

Зона пластической деформации появляется в виде измельчения зерен, образования больших дислокаций, а также изменения параметров решетки. Так, обнаружено существенное изменение зерна алюминия далеко за пределами единичной лунки. Также выявлено, что глубина зоны пластической деформации при обработке углеродистых сталей зависит от химического состава: с увеличением содержания углерода глубина зоны растет, а с увеличением кремния уменьшается [17, 24].

4.7. Микротвердость поверхностного слоя

Рассмотренные изменения структуры поверхностного слоя и связанные с ними пластические деформации оказывают существенное влияние на степень наклепа Н и микротвердость HV, которые связаны выражением

где индексы «п» и «о» относятся к микротвердости поверхностного слоя и основного металла соответственно.

Существенное влияние на изменение микротвердости поверхностного слоя (толщину зоны наклепа) оказывают материалы заготовки, ЭИ, состав РЖ и режим обработки. Глубина зоны наклепа у углеродистых сталей зависит от изменения содержания в них углерода и кремния. Так, при увеличении углерода в стали до 0,8 % глубины зоны наклепа при ЭЭО импульсами с tи > 500 мкс находится в пределах 80–200 мкм, а при tи = 100 мкс – в пределах 20–50 мкм. С другой стороны, рост содержания кремния в стали до 1,5 % приводит к изменению глубины зоны наклепа при tи > 500 мкс от 150 до 80 мкм, а приtи = 100 мкс– от60 до 30 мкми др. [24].

61

Установлено, что микродтвердость поверхности жаропрочного сплава ЭИ437Б повышается после ЭЭО с 4,05–4,4 до

4,7–5,07 ГПа, а стали 12Х18Н9Т – с 1,7–3,0 до 4,7–5,0 ГПа при использовании в качестве ЭИ латуни ЛС59-1, алюминия АД0 и углеграфитовой композиции ЭЭГ [17].

Следует отметить, что в ряде случаев микротвердость тонкого поверхностного слоя может быть несколько ниже микротвердости последующих слоев. Например, при обработке закаленных до твердости HRC 50–56 заготовок из стали ХВГ и У10 в керосине и воде такое изменение микротвердости наблюдалось в большинстве случаев [17]. Указанное явление объясняется образованием остаточного аустенита, количество которого зависит от свойств РЖ и обрабатываемого материала.

Таким образом, на изменение микротвердости поверхностного слоя, а также толщины наклепа значительное влияние оказывают свойства РЖ, охлаждающей поверхность лунки после прохождения импульса тока. Образование тех или иных структур в поверхностном слое, определяющих значение микротвердости, во многом зависит от скорости охлаждения нагретой поверхности, а также от охлаждающей способности РЖ.

Установлено, что с ростом вязкости РЖ уменьшается скорость отвода тепла от охлаждаемой поверхности. Кроме того, при использовании различных масел на охлаждаемой поверхности единичных лунок образуется газопаровая пленка, обусловливающая пленочное кипение. Так, например, при использовании масла индустриального 20 пленочное кипение происходит в диапазоне температур 750–500 оС и пузырьковое кипение с дальнейшим понижением температуры (500–380 оС), при котором скорость охлаждения максимальна. При последующем понижении температуры до комнатной наступает конвективный теплообмен с умеренной скоростью охлаждения нагретой поверхности. Если рабочая жидкость – вода, диапазон температур пузырькового кипения совпадает с диапазоном температур при конвективном теплообмене в случае охлаждения маслом. Это может при-

62

везти к резкому начальному снижению температуры поверхности единичной лунки до 170–350 оС при охлаждении водой и до 600– 400 оС – маслом. Исходя из этого градиент температур при охлаждении водой будет значительно больше, чем маслом. Охлаждение нагретой поверхности в диапазоне температур 350–200 оС происходит со скоростью 75–10 оС/с при использовании масла и с большей во много раз скоростью при использовании воды.

Изложенное позволяет объяснить причины изменения структур и микротвердости поверхностного слоя, а также определить направления разработки новых РЖ, обеспечивающих определенные свойства поверхностного слоя. Так, для получения его высокой и однородной твердости необходимо быстрое охлаждение поверхности единичной лунки при ее высоких температурах и более медленное охлаждение в сравнении с охлаждением водой в области низких температур. Этим требованиям может удовлетворять, например, смесь масла с водой. Использование такой РЖ при температуре поверхности единичной лунки выше температуры кипения масла, очевидно, обеспечит охлаждение обрабатываемой поверхности со скоростью более высокой, чем при охлаждении маслом. Здесь проявляются охлаждающие свойства воды [17].

При температуре поверхности единичной лунки ниже температуры кипения масла, но выше температуры кипения воды масло конденсируется и покрывает охлаждаемую поверхность. В этот период скорость охлаждения нагретой поверхности в основном будет определяться охлаждающей способностью масла. В итоге микротвердость поверхностного слоя будет соответствовать микротвердости, полученной после ЭЭО в воде, а толщина слоя наклепа будет близка кобразуемой прииспользовании в качествеРЖ масла.

Таким образом, максимальная толщина упрочненного слоя может быть получена при обработке в индустриальном масле и смеси воды с индустриальным маслом, а минимальная – при обработке в керосине и дистиллированной воде.

Часто значение микротвердости по толщине поверхностного слоя имеет два максимума [24]. Это определяется своеобразием

63

расположения образовавшихся структур: поверхностный слой имеет два слоя мартенсита с прослойками тростит-мартенсита, обладающими различной твердостью.

4.8. Внутренние напряжения в поверхностном слое

Высокие скорости нагрева и охлаждения, значительные структурные изменения металла при ЭЭО вызывают появление в поверхностном слое тепловых и структурных напряжений. Распространение теплоты в тело заготовки в течение времени t < tи и отвод теплоты в тело заготовки в течение t > tи происходят симметрично относительно оси, проходящей через центр единичной лунки. В связи с этим нормальные напряжения будут постоянно сжимающими, а тангенциальные – равны между собой и могут быть как сжимающими, так и растягивающими. В течение t < tи волна растягивающих тепловых напряжений идет впереди сжимающих напряжений в глубь поверхностного слоя. Очевидно, что при определенных условиях возможно образование сетки микротрещин внутри поверхностного слоя без выхода их на поверхность обрабатываемой заготовки. Со стороны поверхности они могут быть закрыты зоной расплавленного металла заготовки [24].

В течение t ≥ tи, когда происходит охлаждение поверхности единичной лунки, волна сжимающих тепловых напряжений идет впереди растягивающих в глубь поверхностного слоя. Кроме того, в процессе нагрева и охлаждения обрабатываемой поверхности образуются структурные напряжения, вызванные существенным изменением структуры поверхностного слоя. Эти напряжения в сочетании с тепловыми, компенсируя или усиливая друг друга, образуют остаточные внутренние напряжения σ0. Таким образом, в конечном счете величина остаточных внутренних напряжений будет определяться режимом обработки, материалом заготовки, свойствами РЖ и условиями обработки.

Определяющее влияние на величину σ0 оказывают длительность импульса и в меньшей степени энергия импульса. Величина σ0 при определенных режимах обработки, зависящих от свойств

64

обрабатываемого материала, может повысить предел прочности последнего и привести к сетке микротрещин.

В процессе ЭЭО существуют соотношения между Wи и tи, обусловливающие границы выбора параметров импульсов, обеспечивающих ЭЭО металлокерамических твердых сплавов и жаропрочных материалов без образования сетки микротрещин в поверхностном слое [17].

4.9. Точность электроэрозионной обработки

Точность ЭЭО определяется как погрешностями, свойственными любому методу обработки, так и погрешностями, характерными для ЭЭО, и может быть рассчитана как совокупность внесенных в процессе обработки погрешностей. К числу основных погрешностей относят: неточность изготовления станка; погрешность установки заготовки на станке и установки ЭИ; погрешности, являющиеся следствием динамических, статических упругих и тепловых деформаций системы СПИД (станок – приспособление – ЭИ – деталь); погрешности систем управления приводами станка и систем программирования его работы; погрешности, вызванные неточностью изготовления ЭИ, а также непостоянством МЭЗ; погрешности, связанные с износом ЭИ и вызванные его вибрацией, схемой использования РЖ и изменением ее параметров в процессе работы оборудовании и др. [17].

Применительно к фасонным поверхностям, где, в частности, линейные размеры определяют точность обработки, погрешность обработки можно рассчитать по формуле [24]

+ (k5 ст )2 + (k6 т )2 + (k7 и )2 ,

где ki – коэффициент относительного рассеяния рассматриваемой

65

т – погрешность, определяемая колебанием температуры; и – погрешность, определяемая износом ЭИ.

4.9.1. Погрешность от износа электрода-инструмента

Износ ЭИ оказывает существенное влияние на точность изготавливаемой детали. Он обусловлен многими факторами, основными из которых являются режим обработки, материал и размеры ЭИ. При этом случайная погрешность и определяется не

средней экспериментально установленной величиной износа, а его колебаниями при обработке заготовок в равных условиях, обусловленными нестабильностью режима обработки, структуры материала ЭИ и ЭД и рядом других причин.

Для достижения заданной точности обработки существуют несколько методов [15]. Первый способ заключается в проведении обработки в несколько этапов с заменой изношенного ЭИ на новый. Этот способ применяется в случае объемного электроэрозионного копирования. Обычно используется два ЭИ. Замена ЭИ на новый происходит при его износе на величину, равную или превышающую заданную точность. При данном способе возрастают расходы на обработку из-за необходимости использования дополнительных ЭИ. Также при замене изношенного ЭИ на новый может возникнуть погрешность за счет неточности его установки.

Второй способ заключается в компенсации износа ЭИ во время обработки. Данный способ применяется в случае использования ЭИ простой формы.

Для случая ЭЭО вращающимся дисковым электродом разработана модель, позволяющая предсказывать форму обработанной поверхности при известных траектории движения ЭИ и начальной форме поверхности заготовки [1].

66

На рис. 4.12 показано изменение формы обработанной поверхности в результате износа ЭИ.

Рис. 4.12. Изменение формы обработанной поверхности в результате износа ЭИ

Вращающийся ЭИ перемещается вдоль заготовки со скоростью Vf , при этом его центр перемещается по некоторой криво-

линейной траектории y = g (x) . В начале ЭИ с радиусом R0 врезается в заготовку толщиной Н0 на глубину а0. Исходная поверхность заготовки описывается функцией y = f (x), а обработанная

поверхность – y = F (x). Через некоторое время ЭИ переместится в положение Xc = ξ . В результате износа ЭИ его радиус умень-

шится до некоторой величины R(t). Величина врезания в точке контакта ЭИ с заготовкой А будет иметь величину а.

Основное выражение данной модели, связывающее форму обработанной поверхности с ее начальной формой, траекторией центра ЭИ, относительным износом ЭИ и начальным радиусом ЭИ, имеет вид

где v – относительный износ ЭИ.

67

Для определения формы обработанной поверхности заготовки, в случае постоянной толщины заготовки, предложено следующее выражение:

Таким образом, чтобы производить обработку с постоянной скоростью подачи Vf по оси Х, компенсация износа ЭИ должна осуществляться перемещением его с постоянной скоростью подачи по оси Y Vу:

Данный метод позволяет снизить погрешность ЭЭ-обра- ботки при использовании непрофилированного ЭИ. В случае объемного электроэрозионного копирования компенсация износа ЭИ подобным методом невозможна [15].

Третий способ заключается в учете износа при проектировании ЭИ. В результате коррекции формы и размера ЭИ будут отличаться от формы исходной детали. При обработке ЭИ будет изнашиваться, и к моменту достижения требуемой глубины его форма и размеры должны обеспечивать заданную точность. Данный метод является одним из наиболее предпочтительных и используется большинством технологов.

4.9.2.Погрешность от деформации

ивибрации электрода-инструмента

Деформации ЭИ оказывают влияние на точность обработки в случае, когда он обладает малой жесткостью. Это в основном касается операции электроэрозионного вырезания. При ЭЭВ в качестве инструмента используется проволока диаметром 0,3–0,03 мм, изготавливаемая, как правило, из латуни. Под воз-

68

действием силы, возникающей в МЭЗ при пробое, проволока начинает вибрировать и прогибаться на некоторую величину. Силы от разрядов воздействуют как на фронтальную поверхность проволоки, так и на боковые поверхности, в результате чего возникает геометрическая погрешность обработки [15].

В процессе резания на ЭИ проволоку действуют фронтальные и боковые разряды, причем в начальный момент резания угол дуги разряда Q минимален и в процессе резания достигнет 180° (рис. 4.13). В связи с неравномерностью распределения разрядов действие сил от этих разрядов также распределяется неравномерно. Таким образом, суммарная сила от действия фронтальных разрядов Fф направлена против движения подачи S и имеет постоянное направление. Суммарная сила от действия боковых разрядов Fб не имеет постоянного направления и меняется в зависимости от угла Q.

При изменении направления траектории движения изменяется угол Q, вследствие чего будет изменяться направление воздействия суммарных боковых и фронтальных сил. В результате данного явления будет возникать округление обрабатываемых углов. Также стоит отметить, что при обработке криволинейных контуров геометрическая погрешность будет накапливаться, и обработанный профиль детали не будет совпадать с профилем, заданным по управляющей программе.

Рис. 4.13. Распределение сил

69

Модель, предложенная в работе [15], описывает вибрацию ЭИ и ее влияние на точность электроэрозионной обработки.

ЭИ рассматривается как струна, находящаяся под действием сил натяжения. Уравнение движения проволоки имеет вид

где ρ – масса единицы длины проволоки; Х – вектор смещения проволоки; t – время; Т – натяжение проволоки; р – вектор силы, действующей на единицу длины проволоки; μ – коэффициент затухания; Z – координата оси проволоки.

Анализ решения уравнения установил, что вибрация проволоки в течение обработки является сложной и получается из суммы волн, вызванных единичными разрядами. При этом амплитуда колебаний будет возрастать при увеличении энергии рабочих импульсов, а также при уменьшении длительности выключения

импульса toff при той же энергии Wи.

Вибрация и деформация ЭИ проволокипри электроэрозионном вырезаниивноситнаибольшую погрешностьприобработкеуглов.

Исследования геометрической погрешности показали, что в результате вибрации проволоки, а также увеличения пластической деформации при обработке углов происходит их округление

(рис. 4.14).

Рис. 4.14. Геометрическая погрешность обработки

70