книги / Современные подходы к технологии электроэрозионной обработки материалов

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 [10].

Втечение 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 обрабатываемого материала, может повысить предел прочности последнего

ипривести к сетке микротрещин.

Впроцессе 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 [3].

1.9. 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 процес-

31

се обработки погрешностей. К числу основных погрешностей относят [3]: 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.

Применительно к фасонным поверхностям, где, в частности, линейные размеры определяют точность обработки, погрешность обра-

ботки ∆∑ можно рассчитать по формуле [10]

+(k5∆ст )2 + (k6∆т )2 + (k7∆и )2 ,

где ki – коэффициент относительного рассеяния рассматриваемой элементарной погрешности; ∆ε – погрешность базирования ЭД и ЭИ в приспособлениях; ∆y – погрешность, вызванная колебанием упру-

гих деформаций системы СПИД; ∆н – погрешность настройки станка на заданный размер; ∆l – погрешность размера МЭЗ; ∆ст – погрешность, обусловленная неточностью станка; ∆т – погрешность, определяемая колебанием температуры; ∆и – погрешность, определяемая износом ЭИ.

1.9.1. 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 экспери-

ментально установленной величиной износа, а его колебаниями при

32

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 [1]. 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].

На рис. 1.12 показано изменение формы обработанной поверхности в результате износа ЭИ.

Рис. 1.12. Изменение формы обработанной поверхности в результате износа ЭИ

33

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

траектории y = g (x) . В начале ЭИ с радиусом R0 врезается в заготовку толщиной Н0 на глубину а0. Исходная поверхность заготовки

Xc = ξ . В результате износа ЭИ его радиус уменьшится до некото-

рой 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 ЭИи начальным радиусом ЭИ, имеет вид

где v – относительный износ ЭИ.

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 осуществлятьсяперемещением егоспостоянной скоростью подачи пооси Y Vу:

Vy = v a0 Vf .

Данный метод позволяет снизить погрешность ЭЭ-обработки при использовании непрофилированного ЭИ. В случае объемного электроэрозионного копирования компенсация износа ЭИ подобным методом невозможна [1].

34

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.

1.9.2.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 воздействием 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 [1].

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. 1.13). В связи с неравномерностью распределения разрядов действие сил от этих разрядов также распределяется не равномерно. 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 именяется в зависимости отуглаQ.

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 геометриче-

35

ская погрешность будет накапливаться, и обработанный профиль детали не будет совпадать с профилем заданным по управляющей программе.

Рис. 1.13. Распределение сил

Модель, предложенная в работе [1], 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 длинны проволоки; Х – вектор смещения проволоки; t – время; Т – натяжение проволоки; р – вектор силы, действующий 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 проволоки при электроэрозионном вырезании вносит наибольшую погрешность при обработке углов.

Исследования геометрической погрешности показали, что в результате вибрации проволоки, а также увеличения пластической деформации при обработке углов происходит их округление (рис. 1.14).

36

Рис. 1.14. Геометрическая погрешность обработки

С целью снижения погрешности от вибрации и деформации ЭИ при обработке углов рассчитывают новую траекторию движения, основываясь на нечетной логике (рис. 1.15) [1].

Рис. 1.15. Корректировка траектории движения ЭИ

Скорректированная траектория состоит из двух участков, расположенных под некоторым углом a. Длины l1 и l2, а также величина угла рассчитываются автоматически (компьютером) по результатам опытов и экспериментальным данным.

1.9.3. Влияние нагрева электродов на образование погрешности

При ЭЭО выделяется значительное количество теплоты, которое постепенно нагревает рабочую жидкость. Последняя, омывая ЭИ и ЭД, нагревает их. При обычных условиях ведения процесса темпе-

37

ратура РЖ, как правило, не поднимается выше 60–70 °С, но при обработке в предварительно нагретых жидкостях она может достигать нескольких сот градусов [10].

В процессе обработки температура РЖ изменяется по экспоненциальному закону. Закономерность ее изменения по времени можно определить экспериментально; делаются попытки ее теоретического определения. Однако знание температуры РЖ еще не позволяет точно определить размеры ЭИ и ЭД, неравномерно нагревающихся в процессе обработки. В связи с этим при определении температурной погрешности следует оперировать средневзвешенной избыточной температурой, которую можно определить по выражению

T = T1L1 + T2 L2 + + Tn Ln ,

L1 + L2 + + Ln

где Lр – расчетный размер, слагающийся из отдельных участков Li, Lр = L1 + L2 +…+ Ln; Т – избыточная температура, определяемая как разность температур соответствующего участка в конце и начале об-

работки, Т = Тк – Т0.

Вследствие нагрева ЭИ и ЭД возникают сравнительно большие температурные систематические погрешности δт в направлении, перпендикулярном перемещению электрода-инструмента; ориентировочно погрешность может быть определена из выражения

δт = Lp (αэТэ − α3Т3 ),

где Lр – расчетный размер полости; αэ, α3 – коэффициенты линейного расширения материала электрода-инструмента и электродазаготовки соответственно; Тэ, Тз – средневзвешенные избыточные

температуры электрода-инструмента и электрода-заготовки. Коэффициенты линейного расширения материала заготовки

и ЭИ могут различаться более чем в 2–4 раза. В связи с этим наибольшее значение рассматриваемой погрешности будет при обработке стальных заготовок ЭИ из алюминия и углеграфитовых материалов. В результате обработки поверхности, имеющей размер длинной 200 мм, при нагреве РЖ до 60 оС возможно образование погрешности до 0,1 мм, которую следует отнести к систематической [10].

38

С целью повышения точности обработки целесообразно оснащать станки системой охлаждающих устройств, управляемых датчиками температур.

1.9.4. Погрешность размера межэлектродного зазора

Как отмечено в работе [10], серьезным источником случайных погрешностей является наличие зазора l между ЭИ и ЭД. В зависимости от неоднородности их структуры, изменения свойств РЖ и режима обработки межэлектродный зазор не остается постоянным при обработке партии заготовок даже на одном режиме. Он колеблется в пределах от lmax до lmin при номинальном значении l0. Поле рассеивания зазора δ = lmax – lmin. Объем металла, удаленный с электрода, и размеры лунок, образующихся на поверхности ЭИ и ЭД, зависят от их теплофизических характеристик, свойств РЖ и условий ведения процесса. Поэтому при обработке заготовки с неоднородной структурой каждый импульс тока будет образовывать на ее поверхности лунки различных размеров.

С другой стороны, от свойств материалов электродов и РЖ зависит напряжение поддержания дуги Us, величина которого влияет на энергию импульса Wи, что приводит к образованию различных межэлектродных зазоров l1 и l2 на разных участках зон обработки (рис. 1.16), обусловливаяпоявление элементарных случайных погрешностей [10].

Рис. 1.16. Образование погрешности, связанной с изменением величины МЭЗ

39

Погрешность определяется разностью l1 – l2, которая находится следующим образом:

где ∆γ э – колебание электрода.

Полученное выражение позволяет определить влияние многих факторов на элементарные погрешности, вызываемые колебанием МЭЗ, вчастности напогрешность, связанную сразмерами единичных лунок.

Как правило, расчет погрешности МЭЗ дает лишь примерные величины возможной погрешности обработки. На практике наиболее часто погрешность обработки на заданном оборудовании определяют путем статистического анализа данных об отклонении заданных размеров, полученных после обработки партии типовых деталей.

1.10. Рабочие жидкости

Для реализации процесса ЭЭО межэлектродный промежуток должен быть заполнен рабочей жидкостью. Основные требования, предъявляемые к РЖ: термическая стабильность под влиянием физи- ко-химических свойств при воздействии электрических разрядов с параметрами, соответствующими применяемым при ЭЭО; низкая коррозионная активность к материалам ЭИ и обрабатываемой заготовки; высокая температура вспышки и низкая испаряемость; хорошая фильтруемость; отсутствие запаха и низкая токсичность; обеспечение высоких технологических показателей ЭЭО.

При ЭЭО применение получили низкомолекулярные углеводородные жидкости различной вязкости, вода и незначительной степени кремнийорганические жидкости, а также водные растворы двухатомных спиртов. Температура вспышки паров РЖ не должна превышать 61 °С [6].

Всовременном оборудовании, как правило, применяются специальные РЖ на основе углеводородного сырья и с самыми различными добавками, отвечающие всем требованиям процесса ЭЭО и резко повышающие его качественные характеристики [3].

Вработе проволочно-вырезных станков, как правило, используют в качестве РЖ дистиллированную и техническую воду.

40