Bryansk, Bryansk, Russian Federation
Russian Federation
GRNTI 55.01 Общие вопросы машиностроения
GRNTI 55.13 Технология машиностроения
Obobscheny rezul'taty teoreticheskih issle-dovaniy vliyaniya rezhimov elektroerozionnoy ob-rabotki na ekspluatacionnye svoystva detaley. Pokazano, chto na ustalostnuyu prochnost' i iznosostoykost' bol'shee vliyanie okazyvaet napryazhenie, deystvuyuschee mezhdu elektrodami.
ustalostnaya prochnost', iznosostoykost', elektroerozionnaya obrabotka, EEO, kachestvo poverhnostnogo sloya
Введение
Обработка металлов различной твердости с высокой точностью возможна при использовании нетрадиционных методов обработки. Одним из таких методов является электроэрозионная обработка (ЭЭО). ЭЭО заключается в изменении формы, размеров, шероховатости и свойств поверхности электропроводной заготовки под действием электрических разрядов между заготовкой и электродом-инструментом. ЭЭО экономически выгодно применять при обработке сложнопрофильных деталей, одними из представителей которых являются формообразующие детали (ФОД) пресс-форм.
При электроэрозионной обработке ФОД в поверхностном слое материала возникают остаточные напряжения, которые являются причиной разрушения формообразующих деталей, что приводит к поломке пресс-формы в целом[1; 3; 4]. Для решения данной проблемы следует разработать комплекс мероприятий по повышению надежности и долговечности ФОД на основе обеспечения заданных, требуемых или предельных эксплуатационных свойств.
В настоящее время для обеспечения заданных эксплуатационных свойств деталей при ЭЭО применяют функционально-ориентированные технологии (рис. 1) [2; 5; 6; 7].
Основные этапы разработки функционально-ориентированных технологических процессов ЭЭО:
- анализ основных элементов конструкции и выделение типовых поверхностей изделия;
- определение служебных функций типовых поверхностей изделия;
- определение эксплуатационного свойства или группы эксплуатационных свойств, обеспечивающих выполнение поверхностью изделия служебной функции;
- определение параметров качества поверхностного слоя, обеспечивающих эксплуатационное свойство или группу эксплуатационных свойств;
- рассмотрение схемы технологического воздействия, вариантов и условий реализации технологических операций ЭЭО для обеспечения необходимых параметров качества поверхностного слоя.
Целью проводимого теоретического исследования является получение теоретических зависимостей, описывающих взаимосвязь эксплуатационных свойств Эi (усталостной прочности и износостойкости) с условиями электроэрозионной обработки Рi , т.е. Эi=f(Pi).
Получение теоретических зависимостей взаимосвязи усталостной прочности и износостойкости с режимами электроэрозионной обработки
Усталостная прочность – свойство материала не разрушаться с течением времени под действием изменяющихся рабочих нагрузок. Разрушение происходит из-за появления микротрещин, их накопления, затем объединения в одно макроразрушение. При электроэрозионной обработке ФОД в поверхностном слое образуются остаточные напряжения, что приводит к появлению микротрещин. Чтобы решить данную проблему, следует обеспечить такие режимы ЭЭО, которые не ухудшат показатели усталостной прочности.
Сопротивление усталости характеризуется коэффициентом концентрации напряжений, который рассчитывается по формуле [7]
где – наибольшая высота профиля шероховатости;
– расстояние от высшей точки наибольшего выступа профиля до линии единичных выступов в пределах базовой длины; Sm – средний шаг неровностей профиля шероховатости; tm – относительная опорная длина профиля на уровне средней линии;
– коэффициент после электроэрозионной обработки, который необходимо определить в результате экспериментальных исследований.
В свою очередь, параметры шероховатости при ЭЭО можно рассчитать по теоретическим зависимостям [8; 9; 11]:
где b - коэффициент перекрытия лунок; I – сила тока; U – напряжение, подаваемое на электроды; - коэффициент полезного использования энергии импульса; t – длительность импульсов; с – удельная теплоемкость материала; r - плотность материала; Тп – температура плавления материала; р – уровень сечения (50%).
Подставив уравнения (2-6) в уравнение (1), получим
Из уравнения (7) видно, что усталостная прочность зависит от силы тока, напряжения и длительности импульсов, а также от физико-механических свойств материала заготовки.
Исследования проводились для инструментальных штамповых сталей. На рис. 2, 3 и 4 приведены графики зависимостей усталостной прочности от режимов ЭЭО.
Износостойкость – эксплуатационное свойство, определяющее способность поверхностных слоев деталей сопротивляться разрушению при трении скольжения, трении качения, а также при микроперемещениях, обусловленных воздействием вибраций. Трение и изнашивание деталей в значительной степени определяются формой и высотой шероховатости, а также направлением штрихов обработки.
Для оценки качества поверхностей трения предложен параметр, характеризующий равновесное состояние поверхностей трения [7]:
где Hmax – макроотклонения поверхности; Wz – волнистость поверхности; Ra, Sm – параметры шероховатости поверхности; tm – относительная опорная длина профиля на уровне средней линии; Uн – степень наклепа поверхностного слоя; l – коэффициент, учитывающий влияние поверхностных остаточных напряжений второго рода на износ.
Волнистость поверхности после ЭЭО можно рассчитать по теоретической зависимости [8; 9; 11]
где I – сила тока; - коэффициент полезного использования энергии импульса; t – длительность импульсов; с – удельная теплоемкость материала; r - плотность материала; Тп – температура плавления материала; Umax – максимальное напряжение при обработке; Umin – минимальное напряжение при обработке.
Степень наклепа поверхностного слоя определяется формулой [9]
где Hh – микротвердость наклепанного слоя; Ни – микротвердость исходного материала.
В свою очередь, микротвердость наклепанного слоя при электроэрозионной обработке определяется формулой [8; 9; 11]
где Аи – энергия импульса; Пд – коэффициент фазовых превращений Палатника материала детали; Пи – коэффициент фазовых превращений Палатника материала инструмента.
Коэффициент, учитывающий влияние поверхностных остаточных напряжений второго рода на износ, определяется формулой [7]
где – временное сопротивление разрушению; dа – действующее значение амплитудного напряжения на поверхности трения; t – параметр фрикционной усталости при упругом контакте.
Подставив уравнения (2-6), (9-12) в уравнение (8), получим
Таким образом, анализируя зависимость (13) и графики, изображенные на рис. 5, 6 и 7, можно сделать вывод о том, что износостойкость зависит как от режимов электроэрозионной обработки, так и от физико-механических свойств материала детали.
На основе проведенных теоретических исследований были получены значения эксплуатационных параметров для различных режимов ЭЭО (таблица). Данные таблицы позволяют установить режимы электроэрозионной обработки, которые обеспечивают получение требуемых параметров усталостной прочности и износостойкости.
Таблица
Взаимосвязь усталостной прочности и износостойкости с условиями ЭЭО
|
Режим обработки |
Режимы электроэрозионной обработки |
||||
|
Технологические параметры |
I, А |
2,6 |
10 – 30 |
2,6 |
|
|
U, В |
30 |
30 |
30 – 50 |
||
|
tи, мкс |
8 – 16 |
8 |
8 |
||
|
Параметры, характеризующие эксплуатационные свойства |
Износостойкость |
С |
6,73 |
5,55 |
7,6 |
|
Усталостная прочность |
σ |
790-700 |
880 – 720 |
898 – 800 |
|
Заключение
В ходе проведенных теоретических исследований были получены функциональные зависимости взаимосвязи эксплуатационных свойств (усталостной прочности и износостойкости) с условиями электроэрозионной обработки. Из таблицы можно сделать вывод, что усталостная прочность и износостойкость зависят от силы тока, напряжения, подаваемого на электроды, и длительности импульсов. Большее влияние на параметры эксплуатационных свойств оказывает напряжение, действующее между электродами.
Данные исследования позволят обеспечивать требуемые эксплуатационные свойства, что снизит риски поломки ФОД и увеличит срок службы пресс-формы в целом.
1. Fedonin, O.N. Obespechenie iznosostoykosti i ustalostnoy prochnosti poverhnostey pri elektroerozionnoy obrabotke / O.N. Fedonin, S.Yu. S'yanov, A.M. Papikyan // Naukoemkie tehnologii v mashinostroenii. - 2017. - № 11 (77). - S. 10-14.
2. S'yanov, S.Yu. Funkcional'no-orientirovannye tehnologii pri elektroerozionnoy obrabotke / S.Yu. S'yanov, A.M. Papikyan // Naukoemkie tehnologii v mashinostroenii. - 2018. - № 2 (80). - S. 35-39.
3. Kozlov, V.G. Sovremennye metody obrabotki metallov. Elektroerozionnaya obrabotka / V.G. Kozlov, V.S. Volkov // Molodezhnyy vektor razvitiya agrarnoy nauki. - 2015. - S. 180-184.
4. Sarilov, M.Yu. Vybor parametrov upravleniya kachestvom pri elektroerozionnoy obrabotke poverhnostey detaley / M.Yu. Sarilov, M.A. Pokotilo // Avtomatizaciya. Sovremennye tehnologii. - 2009. - № 4. - S. 3-9.
5. Breckih, A.F. Elektroerozionnaya obrabotka / A.F. Breckih V.I. Sysun // Uchenye zapiski Petrozavodskogo gosudarstvennogo universiteta. - 2010. - № 2 (107). - S. 78-82.
6. Mihaylov, A.N. Obschie osobennosti funkcional'no-orientirovannyh tehnologiy i principy orientacii ih tehnologicheskih vozdeystviy i svoystv izdeliy / A.N. Mihaylov // Mashinostroenie i tehnosfera XXI veka: sb. tr. XIV mezhdunar. nauch.-tehn. konf. (g. Sevastopol', 17-22 sent. 2007 g.): v 5 t. - Doneck: DonNTU, 2007. - T. 3. - S. 38-52.
7. Mihaylov, A.N. Funkcional'no-orientirovannye tehnologii. Osobennosti sinteza novyh i netradicionnyh svoystv izdeliy / A.N. Mihaylov // Mashinostroenie i tehnosfera XXI veka: sb. tr. XV mezhdunar. nauch.-tehn. konf. (g. Sevastopol', 15-20 sent. 2008 g.): v 4 t. - Doneck: DonNTU, 2008. - T. 2. - S. 290-314.
8. Syanov, S.Y. Theoretical determination of surface layer quality characteristics of workpieces, tool electrode wear and efficiency of spark eroding / S.Y. Syanov // Proceedings of 2015 International Conference on Mechanical Engineering, Automation and Control Systems. - 2015.
9. S'yanov, S.Yu. Teoreticheskoe opredelenie parametrov kachestva poverhnostnogo sloya detaley, iznosa elektroda-instrumenta i proizvoditel'nosti processa pri elektroerozionnoy obrabotke / S.Yu. S'yanov // Vestnik Bryanskogo gosudarstvennogo tehnicheskogo universiteta. - 2016. - № 1 (49). - S. 67-73.
10. Suslov, A.G. Nauchnye osnovy tehnologii mashinostroeniya / A.G. Suslov, A.M. Dal'skiy. - M.: Mashinostroenie, 2002. - 684 s.
11. S'yanov, S.Yu. Tehnologicheskoe upravlenie parametrami kachestva poverhnostnogo sloya detaley mashin pri elektroerozionnoy obrabotke / S.Yu. S'yanov // Naukoemkie tehnologii v mashinostroenii. - 2014. - № 6 (36). - S. 24-29.
