сотрудник
Брянск, Брянская область, Россия
Брянск, Брянская область, Россия
УДК 621.9.048.4 Электроэрозионная (электроискровая) обработка
Рассмотрена проблема технологического обеспечения эксплуатационных свойств и параметров качества поверхностного слоя деталей машин электроэрозионной обработкой. На основании физической картины протекания процесса электроэрозионной обработки получены теоретические и экспериментальные зависимости для установления параметров качества поверхностного слоя и эксплуатационных свойств деталей машин от режимов (напряжение, ток и длительность импульсов) для различных условий (свойств диэлектрической жидкости, физико-механических свойств материала инструмента и физико-механических свойств материала заготовки) электроэрозионной обработки. Анализируя представленные зависимости установлено, что на формирование параметров качества поверхностного слоя и эксплуатационные свойства деталей машин основное влияние оказывают режимы при различных условиях электроэрозионной обработки. Также установлено, что на формирование волнистости и макроотклонений поверхности помимо режимов для различных условий электроэрозионной обработки влияние оказывают также исходная волнистость и макроотклонения как заготовки, так и инструмента в зависимости от схемы обработки. В результате была установлена связь параметров качества поверхностного слоя и эксплуатационных свойств деталей машин с режимами электроэрозионной обработки, были определены возможности электроэрозионной обработки в обеспечении параметров качества поверхностного слоя и эксплуатационных свойств деталей машин. Полученные результаты позволяют научно обоснованно в зависимости от того, что необходимо обеспечить либо требуемые параметры качества поверхностного слоя, либо требуемые эксплуатационные свойства деталей машин определять режимы для различных условий электроэрозионной обработки. Это позволит реализовать одноступенчатый подход в обеспечении требуемых эксплуатационных свойств деталей машин электроэрозионной обработкой.
электроэрозионная обработка, геометрические параметры качества, физико-механические параметры качества, интенсивность изнашивания, предел выносливости, скорость коррозии, режимы и условия обработки
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. Съянов С.Ю. Разработка технологического процесса электроэрозионной обработки // Вестник Брянского государственного технического университета. 2017. № 2 (55). С. 49–57.
2. Съянов С.Ю. Технологическое обеспечение износостойкости деталей машин электроэрозионной обработкой // Наукоемкие технологии в машиностроении. 2020. № 12 (114). С. 18–21.
3. Съянов С.Ю. Технологическое обеспечение качества поверхностного слоя и эксплуатационных свойств деталей машин электроэрозионной обработкой // Наукоемкие технологии в машиностроении. 2021. № 11 (125). С. 30–37.
4. Качество машин: Справ. в 2 т. / Под общ. ред. А. Г. Суслова. М.: Машиностроение, 1995. 253 с.
5. Суслов А.Г., Дальский А.М. Научные основы технологии машиностроения М.: Машиностроение, 2002. 684 с.
6. Верещагин А.С., Федонин О.Н. и [др]. Прогрессивные машиностроительные технологии, оборудование и инструменты: Коллективная монография: Т. 5. Москва: Издательский дом «Спектр», 2015. С. 464.
7. Инженерия поверхности деталей / А.Г. Суслов [и др.]; под ред. А.Г. Суслова. М.: Машиностроение, 2009. 320 с.
8. Федонин О.Н. Обеспечение коррозионной стойкости деталей машин при механической обработке // Обработка металлов (технология, оборудование, инструменты), 2004. № 3. С. 22–25
9. Справочник технолога / под общей ред. А.Г. Суслова. М.: Инновационное машиностроение, 2019. 800 с.
10. Фундаментальные основы технологического обеспечения и повышения надежности изделий машиностроения / под ред. А.Г. Суслова. М.: Инновационное машиностроение, 2022. 552 с.
11. Суслов А.Г., Съянов С.Ю. Одноступенчатое технологическое обеспечение износостойкости деталей машин электроэрозионной обработкой // Наукоемкие технологии в машиностроении. 2023. №3 (141). С. 19–22.
