Bryansk, Bryansk, Russian Federation
Bryansk, Bryansk, Russian Federation
UDK 621.9.048.4 Электроэрозионная (электроискровая) обработка
The problem of technological quality assurance and operational properties of the surface layer of machine parts through EDM process is viewed. Based on physics of EDM process, theoretical and experimental dependences for determining the parameters of the surface layer quality and the operational properties of machine parts on the modes (voltage, current and pulse duration) for various conditions (properties of dielectric fluid, physical and mechanical properties of the tool material and physical and mechanical properties of the workpiece material) of EDM process, are found. Studying these dependencies, it was also found that the formation of surface layer quality parameters and the service characteristics of machine parts are mainly influenced by modes under various conditions of EDM process. It was deemed that the formation of undulation and macro-deviations of the surface, in addition to the modes for various conditions of EDMing, is also influenced by the initial undulation and macro-deviations of both the workpiece and the tool, depending on the machining pattern. As a result, the relationship between quality parameters of the surface layer and the operational properties of machine parts depending on the modes of EDM process was found, the possibilities of EDMing of the quality parameters assurance for the surface layer and the operational properties of machine parts were determined. Obtained results allow us to determine the modes for various conditions of EDM process from scientific point of view. Either the required quality parameters of the surface layer or the required operational properties of machine parts determine different modes for various conditins of EDMing.. This will make the implementation of a single-stage approach in ensuring the required operational properties of machine parts by EDM process possible.
EDM process, geometric quality parameters, physical and mechanical quality parameters, wear intensity, endurance limit, corrosion rate, process modes and conditions
Введение
Электроэрозионная обработка преимущественно применяется для производства изделий сложной пространственной конфигурации и из труднообрабатываемых материалов. Обеспечение требуемых эксплуатационных свойств данных изделий будет определять их качество и надежность в целом. Проблема технологического обеспечения эксплуатационных свойств деталей машин и параметров качества поверхностного слоя электроэрозионными методами обработки является достаточно новой по сравнению с подобной проблемой при механических методах обработки, что определяет ее актуальность.
Исследованию электроэрозионной обработки посвящены работы Б.Н. Золотых,
Б.Р. Лазаренко, Н.И. Лазаренко, Н.К. Фотеева, В.П. Смоленцева, А.Л. Лившица и др. ученых. Анализ данных работ показал, что в настоящее время отсутствуют теоретические научно обоснованные методики определения эксплуатационных свойств деталей машин и параметров качества поверхностного слоя в зависимости от режимов для различных условий электроэрозионной обработки. Для устранения указанного пробела необходимо получить теоретические уравнения параметров качества поверхностного слоя и эксплуатационных свойств от режимов для различных условий электроэрозионной обработки на основании физической картины формирования параметров качества поверхностного слоя. Также необходимо установить возможности электроэрозионной обработки в обеспечении требуемых эксплуатационных свойств деталей машин и параметров качества поверхностного слоя.
Параметры качества
поверхностного слоя
Формирование физико-механических и геометрических параметров качества поверхностного слоя при электроэрозионной обработке происходит в результате разрушения и нагрева поверхностей за счет энергии электрического разряда между заготовкой и инструментом, которые разделены диэлектрической жидкостью.
Для теоретического определения параметров шероховатости поверхности необходимо:
– сопоставить энергии электрического импульсного разряда и тепловую, идущую на плавление объема материала;
– учесть коэффициент перекрытия лунок;
– сделать допущения о том, что режимы обработки усредняются, размеры всех лунок одинаковы и физико-механические свойства материалов и коэффициент перекрытия лунок постоянны на протяжении всей обработки.
Учитывая все вышесказанное, были выведены теоретические зависимости для расчета параметров шероховатости поверхности:
теплопроводность материала инструмента и заготовки соответственно, Вт/(м·К); си, сД – удельная теплоемкость инструмента и заготовки соответственно, Дж/(кг·К); rи, rД – плотность материала инструмента и заготовки соответственно, кг/м3; tи – длительность импульса, с; b – коэффициент перекрытия лунок; p – уровень сечения; Tпл – температура плавления материала заготовки, К.
На формирование волнистости и макроотклонений основное влияние оказывают следующие составляющие: исходные волнистость и макроотклонения детали и заготовки, и колебания технологических режимов обработки, которые в зависимости от схемы обработки могут оказывать влияние на формируемый параметр или нет. Произведя суммирование составляющих волнистости и макроотклонений по правилу суммирования случайных величин для различных схем обработки можно получить зависимости для определения максимальных макроотклонений 
и средней волнистости 
поверхности.
Прямое и обратное копирование:
- электроэрозионное прошивание предварительно обработанных поверхностей:
В зависимостях (2) – (7) – исходная волнистость заготовки, м; – исходная волнистость инструмента, м; 
– исходные
макроотклонения заготовки, м; 
– исходные макроотклонения инструмента, м;
Umax = U + DU – максимальное напряжение при обработке, В; DU – перепад напряжения; Umin=U - DU – минимальное напряжение при обработке, В; g – относительный объемный износ электрод инструмента.
Основное влияние на формирование физико-механических параметров качества поверхностного слоя оказывают тепловые процессы, протекающие при обработке. Определив распределение температурного поля по глубине материала, тепловые и пластические деформации можно определить глубину слоя материала с измененными физико-механическими свойствами h, поверхностную микротвердость Hm0 и остаточные напряжения s0:
В зависимостях (8) – (10) – предел текучести материала поверхностного слоя детали перед электроэрозионной обработкой;
– предел прочности материала поверхностного слоя детали; – относительное сужение поперечного сечения образца из материала детали перед его разрывом при испытаниях на растяжение; – исходная микротвердость поверхностного слоя детали; ад – коэффициент температуропроводности материала детали;
Е – модуль упругости первого рода;
Т0 – температура окружающей среды;
aд – коэффициент линейного расширения материала детали.
Для получения эмпирических уравнений, связывающих параметры качества поверхностного слоя с режимами для различных условий электроэрозионной обработки, были проведены экспериментальные исследования с последующей их обработкой, в результате чего были получены следующие зависимости:
Полученные эмпирические (11) – (17) уравнения в значительной мере подтвердили теоретические (1) – (10) уравнения.
Эксплуатационные свойства
деталей машин
Для вывода теоретических зависимостей связывающих эксплуатационные свойства деталей машин с режимами при различных условиях электроэрозионной обработки необходимо воспользоваться теоретическими зависимостями, связывающими эксплуатационные свойства деталей машин с параметрами качества поверхностного слоя
[3 – 10] и зависимостями (1) – (17), связывающими параметры качества поверхностного слоя с режимами для различных условий электроэрозионной обработки. В результате можно вывести теоретические зависимости, связывающие интенсивность изнашивания, скорость коррозии и усталостную прочность с режимами для различных условий электроэрозионной обработки.
Интенсивность изнашивания:
– в период приработки:
при обработке предварительно обработанных поверхностей:
Выводы
В ходе теоретических и экспериментальных исследований были выявлены возможности [3, 11] электроэрозионной обработки для обеспечения качества поверхностного слоя и эксплуатационных свойств деталей машин. Установлена связь между этими параметрами и режимами обработки при различных условиях [3, 11].
Для применения результатов исследований разработан алгоритм (рис. 1) и программа, автоматизирующие определение режимов обработки для достижения требуемых значений параметров качества или эксплуатационных свойств. Это позволяет обоснованно выбирать режимы обработки и сокращает время технологической подготовки производства.
Необходимые исходные данные включают марку материала, наличие предварительной обработки, требуемые параметры качества поверхности или эксплуатационные свойства, а также данные о предварительной обработке, волнистости и макроотклонениях поверхности детали и инструмента. Результаты ввода сравниваются с данными банка возможностей электроэрозионной обработки, что позволяет определить возможность достижения заданных параметров и перейти к следующему этапу алгоритма.
В базе данных инструментальных материалов содержится информация о марках и характеристиках материалов. Из базы данных выбирается первый материал инструмента и учитывая какой параметр качества поверхности или эксплуатационное свойство необходимо получить, определяется энергия импульса для достижения данного параметра. Затем рассчитываются остальные параметры качества поверхностного слоя для выбранного материала. Процедура выбора и расчетов повторяется для каждого материала в базе данных инструментальных материалов. Далее определяется производительность с учетом полученных режимов электроэрозионной обработки. Рекомендуется тот режим, который обеспечивает максимальную производительность.
1. Syanov S.Yu. Development of technological process of electro-erosion processing // Bulletin of the Bryansk State Technical University. 2017, no. 2 (55), pp. 49–57.
2. Syanov S.Yu. Technological provision of wear resistance of machine parts by electro-erosion processing //Science-intensive technologies in mechanical engineering. 2020, no. 12 (114), pp. 18–21.
3. Syanov S.Yu. Technological provision of wear resistance of machine parts by electro-erosion processing //Science-intensive technologies in mechanical engineering. 2020, no. 12 (114), pp. 18–21.
4. Machine Quality: Reference book in 2 volumes / Under the editorship of A. G. Suslov. M.: Mechanical Engineering, 1995, 253 p.
5. Suslov A.G., Dalsky A.M. Scientific foundations of mechanical engineering technology. Moscow: Mashinostroenie, 2002, 684 p.
6. Vereshchagin A.S., Fedonin O.N. et. al. Progressive machine-building technologies, equipment and tools: joint monograph: vol. 5. Moscow: Spectrum Publishing House, 2015, p. 464.
7. Parts Surface Engineering / A.G. Suslov [et al.]; under the editorship of A.G. Suslov. Moscow: Mashinostroenie, 2009, 320 p.
8. Fedonin O.N. Ensuring corrosion resistance of machine parts during machining // Metalworking (technology, equipment, tools), 2004, no. 3, pp. 22–25
9. Technologist's Reference Book / under the general editorship of A.G. Suslov. Moscow: Innovation Mechanical Engineering, 2019, 800 p.
10. Fundamentals of technological support and reliability improvement of mechanical engineering articles/ ed. by A.G. Suslov. Moscow: Innovation Mechanical Engineering, 2022, 552 p.
11. Suslov A.G., Syanov S.Yu. Single-stage technological provision of wear resistance of machine parts during electro-erosive processing. // Science intensive technologies in mechanical engineering. 2023, no.3(141), pp. 19–22.
